]> AND Private Git Repository - prng_gpu.git/blob - prng_gpu.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
new version for parallel computing
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 %\documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage[T1]{fontenc}
6 \usepackage{fullpage}
7 \usepackage{fancybox}
8 \usepackage{amsmath}
9 \usepackage{amscd}
10 \usepackage{moreverb}
11 \usepackage{commath}
12 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
13 \usepackage{listings}
14 \usepackage[standard]{ntheorem}
15 \usepackage{algorithmic}
16 \usepackage{slashbox}
17 \usepackage{ctable}
18 \usepackage{tabularx}
19 \usepackage{multirow}
20
21 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
22 \usepackage{dsfont}
23
24 % Pour avoir des intervalles d'entiers
25 \usepackage{stmaryrd}
26
27 \usepackage{graphicx}
28 % Pour faire des sous-figures dans les figures
29 \usepackage{subfigure}
30
31
32 \newtheorem{notation}{Notation}
33
34 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
35 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
36 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
37 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
38 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
39 \let\sur=\overline
40
41 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
42
43
44
45 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
46 \begin{document}
47
48 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
49 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
50    
51
52 %\IEEEcompsoctitleabstractindextext{
53 \begin{abstract}
54 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
55 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
56 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
57 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
58 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
59 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
60 cards.
61 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
62 secure.
63 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
64
65
66 \end{abstract}
67 %}
68
69 \maketitle
70
71 %\IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
72 %\IEEEpeerreviewmaketitle
73
74
75 \section{Introduction}
76
77 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
78 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
79 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
80 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
81 generator (TRNG). 
82 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
83 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
84 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
85 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
86 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
87 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
88 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
89 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
90 achieve both speed and randomness.
91 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
92 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
93 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
94 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
95 sequence.  However, in an equivalent formulation, he or she should not be
96 able (in practice) to predict the next bit of the generator, having the knowledge of all the 
97 binary digits that have been already released. ``Being able in practice'' refers here
98 to the possibility to achieve this attack in polynomial time, and to the exponential growth
99 of the difficulty of this challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
100
101
102 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
103 third requirement, that is to define chaotic generators.
104 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
105 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
106 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
107 and unassailable due to chaos.
108 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
109 whereas computers deal with finite precision numbers.
110 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
111 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
112 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
113 between chaos and security as it is understood in cryptography.
114 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
115
116 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
117 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
118 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
119 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
120 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
121 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
122 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
123 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
124 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
125 \emph{only if these last properties are not lost during
126 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
127 It leads to the attempts to define a 
128 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
129 or cryptographically secure.
130 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
131 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
132 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
133 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
134 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
135 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
136 twice in order to observe if all $p-$values are inside [0.01, 0.99]. In
137 fact, we observed that few $p-$values (less than ten) are sometimes
138 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
139 second run allows us to confirm that the values outside are not for
140 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
141   BigCrush} successfully and all $p-$values are at least once inside
142 [0.01, 0.99].
143 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
144 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
145
146 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
147 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
148 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
149 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
150 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
151 cannot.
152 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
153 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
154 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
155 is proposed.
156 Although GPU was initially designed  to accelerate
157 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
158 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
159 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
160 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
161 Such device
162 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
163 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
164 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
165 property.
166 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
167 key encryption protocol by using the proposed method.
168
169
170 {\bf Main contributions.} In this paper a new PRNG using chaotic iteration
171 is defined. From a theoretical point of view, it is proven that it has fine
172 topological chaotic properties and that it is cryptographically secured (when
173 the initial PRNG is also cryptographically secured). From a practical point of
174 view, experiments point out a very good statistical behavior. An optimized
175 original implementation of this PRNG is also proposed and experimented.
176 Pseudorandom numbers are generated at a rate of 20GSamples/s, which is faster
177 than in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09,Marsaglia2003} (and with a better
178 statistical behavior). Experiments are also provided using BBS as the initial
179 random generator. The generation speed is significantly weaker.
180 Note also that an original qualitative comparison between topological chaotic
181 properties and statistical test is also proposed.
182
183
184
185
186 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
187   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
188   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
189   and on an iteration process called ``chaotic
190 iterations'' on which the post-treatment is based. 
191 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
192
193 Section~\ref{The generation of pseudorandom sequence} illustrates the statistical
194 improvement related to the chaotic iteration based post-treatment, for
195 our previously released PRNGs and a new efficient 
196 implementation on CPU.
197
198  Section~\ref{sec:efficient PRNG
199   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
200 Such generators are experimented in 
201 Section~\ref{sec:experiments}.
202 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
203 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
204 generator provided by the post-treatment.
205 A practical
206 security evaluation is also outlined in Section~\ref{sec:Practicak evaluation}.
207 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
208 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
209 in Section~\ref{sec:CSGPU} and to an improvement of the
210 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
211 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
212 summarized and intended future work is presented.
213
214
215
216
217 \section{Related work on GPU based PRNGs}
218 \label{section:related works}
219
220 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
221 literature, so that exhaustivity is impossible.
222 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
223 in this domain, from their subjective point of view. 
224 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
225 only when the information is given in the related work. 
226 A million numbers  per second will be simply written as
227 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
228
229 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
230 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
231 operations. Authors can   generate  about
232 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
233 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
234 chaos or cryptography in this document.
235
236 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
237 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
238 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
239 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
240 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
241 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
242
243
244 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
245 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
246 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
247 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
248 FPGA appears as  the  fastest  and the most
249 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
250 per joule. 
251 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
252 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
253 the results presented in this document.
254 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
255 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
256
257 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
258 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
259 other things 
260 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
261 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
262 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
263 \newline
264 \newline
265 We can finally remark that, to the best of our knowledge, no GPU implementation has been proven to be chaotic, and the cryptographically secure property has surprisingly never been considered.
266
267 \section{Basic Recalls}
268 \label{section:BASIC RECALLS}
269
270 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
271 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
272 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
273
274
275 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
276 \label{subsec:Devaney}
277 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
278 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
279 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
280 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
281
282
283 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
284 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
285
286 \begin{definition}
287 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
288 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
289 \varnothing$.
290 \end{definition}
291
292 \begin{definition}
293 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
294 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
295 \end{definition}
296
297 \begin{definition}
298 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
299 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
300 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
301 necessarily the same period).
302 \end{definition}
303
304
305 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
306 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
307 topologically transitive.
308 \end{definition}
309
310 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
311 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
312
313 \begin{definition}
314 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
315 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
316 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
317 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
318
319 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
320 \end{definition}
321
322 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
323 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
324 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
325 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
326 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
327 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
328 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
329 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
330 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
331 possible and occur in an unpredictable way.
332
333
334
335 \subsection{Chaotic Iterations}
336 \label{sec:chaotic iterations}
337
338
339 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
340 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
341 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
342  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
343 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
344 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
345 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
346
347 \begin{definition}
348 \label{Def:chaotic iterations}
349 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
350 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
351 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
352 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
353 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
354 \begin{equation}
355 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
356 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
357 \begin{array}{ll}
358   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
359   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
360 \end{array}\right.
361 \end{equation}
362 \end{definition}
363
364 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
365 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
366 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
367 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
368 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
369 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
370 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
371 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
372
373
374 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
375 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
376
377 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
378 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
379 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
380 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
381 \begin{equation*}
382 \begin{array}{lrll}
383 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
384 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
385 \end{array}%
386 \end{equation*}%
387 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
388 Consider the phase space:
389 \begin{equation}
390 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
391 \mathds{B}^\mathsf{N},
392 \end{equation}
393 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
394 \begin{equation}
395 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
396 \end{equation}
397 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
398 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
399 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
400 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
401 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
402 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
403 \begin{equation}
404 \left\{
405 \begin{array}{l}
406 X^0 \in \mathcal{X} \\
407 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
408 \end{array}%
409 \right.
410 \end{equation}%
411
412 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
413 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
414 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
415 chaotic. 
416 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
417 (\check{S},\check{E})\in
418 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
419 \begin{equation}
420 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
421 \end{equation}
422 \noindent where
423 \begin{equation}
424 \left\{
425 \begin{array}{lll}
426 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
427 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
428 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
429 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
430 \end{array}%
431 \right.
432 \end{equation}
433
434
435 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
436 \begin{itemize}
437 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
438 their distance should increase too.
439 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
440 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
441 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
442 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
443 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
444 updated components are the same as well.
445 \end{itemize}
446 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
447 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
448 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
449 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
450 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
451 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
452 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
453 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
454
455 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
456
457 \begin{proposition}
458 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
459 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
460 \end{proposition}
461
462 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
463 Boolean negation $f_0(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
464 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
465
466 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
467 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
468 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
469 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
470 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
471 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
472 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
473 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
474 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
475 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
476 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
477
478
479 \begin{theorem}
480 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
481 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
482 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
483 \end{theorem}
484
485 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
486 \begin{theorem}
487   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
488   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
489   matrix and $M$
490   a $n\times n$ matrix defined by 
491   $
492   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
493   if $i \neq j$ and  
494   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
495   
496   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
497   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
498   a law that tends to the uniform distribution 
499   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
500 \end{theorem} 
501
502
503 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
504 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
505 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
506 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
507 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
508 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
509 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
510 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
511 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
512
513 \section{Application to Pseudorandomness}
514 \label{sec:pseudorandom}
515
516 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
517
518 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
519 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
520 leading thus to a new PRNG that 
521 should improve the statistical properties of each
522 generator taken alone. 
523 Furthermore, the generator obtained in this way possesses various chaos properties that none of the generators used as present input.
524
525
526
527 \begin{algorithm}[h!]
528 \begin{small}
529 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
530 ($n$ bits)}
531 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
532 $x\leftarrow x^0$\;
533 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
534 \For{$i=0,\dots,k$}
535 {
536 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
537 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
538 }
539 return $x$\;
540 \end{small}
541 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
542 \label{CI Algorithm}
543 \end{algorithm}
544
545
546
547
548 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
549 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
550 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
551 between two outputs is at least $b$
552 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
553 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
554 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
555  which must return integers
556 uniformly distributed
557 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
558 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
559 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
560 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
561 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
562 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
563 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
564 in our own generator to compute both the number of iterations between two
565 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
566
567 %This former generator has successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST~\cite{bcgr11:ip}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} ones.
568
569
570 \begin{algorithm}[h!]
571 \begin{small}
572 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
573 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
574 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
575 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
576 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
577 $y\leftarrow{z}$\;
578 return $y$\;
579 \end{small}
580 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
581 \label{XORshift}
582 \end{algorithm}
583
584
585 \subsection{A ``New CI PRNG''}
586
587 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
588 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
589 In this ``New CI PRNG'', we prevent a given bit from changing twice between two outputs.
590 This new generator is designed by the following process. 
591
592 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
593 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
594 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
595 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
596 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
597 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
598 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
599 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
600 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
601 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
602
603 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
604 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
605 Such a procedure is equivalent to achieving chaotic iterations with
606 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
607 Finally, some $x^n$ are selected
608 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
609 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
610
611 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
612 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
613 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
614 This function must be chosen such that the outputs of the resulted PRNG are uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$. Function of \eqref{Formula} achieves this
615 goal (other candidates and more information can be found in ~\cite{bg10:ip}).
616
617 \begin{equation}
618 \label{Formula}
619 m^n = g(y^n)=
620 \left\{
621 \begin{array}{l}
622 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
623 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
624 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
625 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
626 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
627 \end{array}
628 \right.
629 \end{equation}
630
631 \begin{algorithm}
632 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
633 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
634 \begin{algorithmic}[1]
635 \FOR{$i=0,\dots,N$}
636 {
637 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
638 }
639 \ENDFOR
640 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
641 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
642 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
643
644 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
645 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
646     \IF{$d_S=0$}
647     {
648 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
649 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
650
651     }
652     \ELSIF{$d_S=1$}
653     {
654 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
655     }\ENDIF
656 \ENDWHILE\\
657 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
658 \STATE return $r$\;
659 \medskip
660 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
661 \label{Chaotic iteration1}
662 \end{algorithmic}
663 \end{algorithm}
664
665 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
666
667 Instead of updating only one cell at each iteration, we now propose to choose a
668 subset of components and to update them together, for speed improvement. Such a proposition leads 
669 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
670 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
671 this algorithm can be rewritten as follows:
672
673 \begin{equation}
674 \left\{
675 \begin{array}{l}
676 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
677 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
678 \end{array}
679 \right.
680 \label{equation Oplus}
681 \end{equation}
682 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
683 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
684 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
685 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
686 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
687 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
688 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
689
690 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
691 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
692 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
693
694 \begin{equation}
695 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
696 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
697 \begin{array}{ll}
698   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
699   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
700 \end{array}\right.
701 \label{eq:generalIC}
702 \end{equation}
703 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
704 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
705 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
706 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
707 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
708 we select a subset of components to change.
709
710
711 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
712 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
713 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
714 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
715 in what follows).
716 However, proofs
717 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
718 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
719 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
720 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
721 faster, does not deflate their topological chaos properties.
722
723 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
724 \label{deuxième def}
725 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
726 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
727 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
728
729 \begin{equation}
730   x_i^n=\left\{
731 \begin{array}{ll}
732   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
733   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
734 \end{array}\right.
735 \label{general CIs}
736 \end{equation}
737
738 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
739 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
740
741 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
742 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
743 is required in order to study the topological behavior of the system.
744
745 Let us introduce the following function:
746 \begin{equation}
747 \begin{array}{cccc}
748  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
749          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
750 \end{array} 
751 \end{equation}
752 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
753
754 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
755 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
756 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
757 \begin{equation*}
758 \begin{array}{rll}
759  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
760 \end{array}%
761 \end{equation*}%
762 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
763 is the negation of the Boolean $x$.
764 Consider the phase space:
765 \begin{equation}
766 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
767 \mathds{B}^\mathsf{N},
768 \end{equation}
769 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
770 \begin{equation}
771 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), %\label{Gf} %%RAPH, j'ai viré ce label qui existe déjà avant...
772 \end{equation}
773 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
774 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
775 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
776 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
777 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
778 be described by the following discrete dynamical system:
779 \begin{equation}
780 \left\{
781 \begin{array}{l}
782 X^0 \in \mathcal{X} \\
783 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
784 \end{array}%
785 \right.
786 \end{equation}%
787
788 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
789 iterations. 
790
791 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
792 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
793 Let us introduce:
794 \begin{equation}
795 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
796 \label{nouveau d}
797 \end{equation}
798 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
799  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
800 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
801  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
802 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
803 %% \begin{equation}
804 %% \left\{
805 %% \begin{array}{lll}
806 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
807 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
808 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
809 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
810 %% \end{array}%
811 %% \right.
812 %% \end{equation}
813 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
814 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
815
816
817 \begin{proposition}
818 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
819 \end{proposition}
820
821 \begin{proof}
822  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
823 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
824  \begin{itemize}
825 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
826 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
827 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
828  \item $d_s$ is symmetric 
829 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
830 of the symmetric difference. 
831 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
832 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
833 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
834 inequality is obtained.
835  \end{itemize}
836 \end{proof}
837
838
839 Before being able to study the topological behavior of the general 
840 chaotic iterations, we must first establish that:
841
842 \begin{proposition}
843  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
844 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
845 \end{proposition}
846
847
848 \begin{proof}
849 We use the sequential continuity.
850 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
851 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
852 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
853 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
854 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
855 sequences).\newline
856 As $d((S^n,E^n);(S,E))$ converges to 0, each distance $d_{e}(E^n,E)$ and $d_{s}(S^n,S)$ converges
857 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
858 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
859 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
860 cell will change its state:
861 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
862
863 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
864 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
865 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
866 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
867
868 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
869 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
870 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
871 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
872 \noindent We now prove that the distance between $\left(
873 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
874 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
875 \begin{itemize}
876 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
877 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
878 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
879 \medskip
880 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
881 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
882 \begin{equation*}
883 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
884 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
885 \end{equation*}%
886 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
887 \end{itemize}
888 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
889 G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are the same ($G_{f}$ is a shift of strategies) and due to the definition of $d_{s}$, the floating part of
890 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
891 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
892
893 In conclusion,
894 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
895 %%TOF : ici j'ai rajouté un commentaire
896 %%TOF : ici aussi
897 $
898 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
899 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
900 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
901 \leqslant \varepsilon .
902 $
903 $G_{f}$ is consequently continuous.
904 \end{proof}
905
906
907 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
908 iterations. We will prove that,
909
910 \begin{theorem}
911 \label{t:chaos des general}
912  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
913 the Devaney's property of chaos.
914 \end{theorem}
915
916 Let us firstly prove the following lemma.
917
918 \begin{lemma}[Strong transitivity]
919 \label{strongTrans}
920  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
921 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
922 \end{lemma}
923
924 \begin{proof}
925  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
926 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
927 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
928 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
929 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
930 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
931 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
932 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
933 \begin{itemize}
934  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
935  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
936 \end{itemize}
937 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
938 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
939 claimed in the lemma.
940 \end{proof}
941
942 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
943
944 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
945 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
946
947 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
948 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
949 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
950 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
951 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
952
953 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
954 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
955 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
956 and $t_2\in\mathds{N}$ such
957 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
958
959 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
960 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
961 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
962 $$\tilde
963 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
964 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
965 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
966 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
967 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
968 \end{proof}
969
970
971 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
972
973 \label{The generation of pseudorandom sequence}
974
975
976 Let us now explain why we have reasonable ground to believe that chaos 
977 can improve statistical properties.
978 We will show in this section that chaotic properties as defined in the
979 mathematical theory of chaos are related to some statistical tests that can be found
980 in the NIST battery. Furthermore, we will check that, when mixing defective PRNGs with
981 chaotic iterations, the new generator presents better statistical properties
982 (this section summarizes and extends the work of~\cite{bfg12a:ip}).
983
984
985
986 \subsection{Qualitative relations between topological properties and statistical tests}
987
988
989 There are various relations between topological properties that describe an unpredictable behavior for a discrete 
990 dynamical system on the one
991 hand, and statistical tests to check the randomness of a numerical sequence
992 on the other hand. These two mathematical disciplines follow a similar 
993 objective in case of a recurrent sequence (to characterize an intrinsically complicated behavior for a
994 recurrent sequence), with two different but complementary approaches.
995 It is true that the following illustrative links give only qualitative arguments, 
996 and proofs should be provided later to make such arguments irrefutable. However 
997 they give a first understanding of the reason why we think that chaotic properties should tend
998 to improve the statistical quality of PRNGs.
999 %
1000 Let us now list some of these relations between topological properties defined in the mathematical
1001 theory of chaos and tests embedded into the NIST battery. %Such relations need to be further 
1002 %investigated, but they presently give a first illustration of a trend to search similar properties in the 
1003 %two following fields: mathematical chaos and statistics.
1004
1005
1006 \begin{itemize}
1007     \item \textbf{Regularity}. As stated in Section~\ref{subsec:Devaney}, a chaotic dynamical system must 
1008 have an element of regularity. Depending on the chosen definition of chaos, this element can be the existence of
1009 a dense orbit, the density of periodic points, etc. The key idea is that a dynamical system with no periodicity
1010 is not as chaotic as a system having periodic orbits: in the first situation, we can predict something and gain a
1011 knowledge about the behavior of the system, that is, it never enters into a loop. A similar importance for periodicity is emphasized in
1012 the two following NIST tests~\cite{Nist10}:
1013     \begin{itemize}
1014         \item \textbf{Non-overlapping Template Matching Test}. Detect generators that produce too many occurrences of a given non-periodic (aperiodic) pattern.
1015         \item \textbf{Discrete Fourier Transform (Spectral) Test}. Detect periodic features (i.e., repetitive patterns that are close one to another) in the tested sequence that would indicate a deviation from the assumption of randomness.
1016     \end{itemize}
1017
1018 \item \textbf{Transitivity}. This topological property previously introduced  states that the dynamical system is intrinsically complicated: it cannot be simplified into 
1019 two subsystems that do not interact, as we can find in any neighborhood of any point another point whose orbit visits the whole phase space. 
1020 This focus on the places visited by the orbits of the dynamical system takes various nonequivalent formulations in the mathematical theory
1021 of chaos, namely: transitivity, strong transitivity, total transitivity, topological mixing, and so on~\cite{bg10:ij}. A similar attention 
1022 is brought on the states visited during a random walk in the two tests below~\cite{Nist10}:
1023     \begin{itemize}
1024         \item \textbf{Random Excursions Variant Test}. Detect deviations from the expected number of visits to various states in the random walk.
1025         \item \textbf{Random Excursions Test}. Determine if the number of visits to a particular state within a cycle deviates from what one would expect for a random sequence.
1026     \end{itemize}
1027
1028 \item \textbf{Chaos according to Li and Yorke}. Two points of the phase space $(x,y)$ define a couple of Li-Yorke when $\limsup_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))>0$ et $\liminf_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))=0$, meaning that their orbits always oscillate as the iterations pass. When a system is compact and contains an uncountable set of such points, it is claimed as chaotic according
1029 to Li-Yorke~\cite{Li75,Ruette2001}. A similar property is regarded in the following NIST test~\cite{Nist10}.
1030     \begin{itemize}
1031         \item \textbf{Runs Test}. To determine whether the number of runs of ones and zeros of various lengths is as expected for a random sequence. In particular, this test determines whether the oscillation between such zeros and ones is too fast or too slow.
1032     \end{itemize}
1033     \item \textbf{Topological entropy}. The desire to formulate an equivalency of the thermodynamics entropy
1034 has emerged both in the topological and statistical fields. Once again, a similar objective has led to two different
1035 rewritting of an entropy based disorder: the famous Shannon definition of entropy is approximated in the statistical approach, 
1036 whereas topological entropy is defined as follows:
1037 $x,y \in \mathcal{X}$ are $\varepsilon-$\emph{separated in time $n$} if there exists $k \leqslant n$ such that $d\left(f^{(k)}(x),f^{(k)}(y)\right)>\varepsilon$. Then $(n,\varepsilon)-$separated sets are sets of points that are all $\varepsilon-$separated in time $n$, which
1038 leads to the definition of $s_n(\varepsilon,Y)$, being the maximal cardinality of all $(n,\varepsilon)-$separated sets. Using these notations, 
1039 the topological entropy is defined as follows: $$h_{top}(\mathcal{X},f)  = \displaystyle{\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \Big[ \limsup_{n \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \log s_n(\varepsilon,\mathcal{X})\Big]}.$$
1040 This value measures the average exponential growth of the number of distinguishable orbit segments. 
1041 In this sense, it measures the complexity of the topological dynamical system, whereas 
1042 the Shannon approach comes to mind when defining the following test~\cite{Nist10}:
1043     \begin{itemize}
1044 \item \textbf{Approximate Entropy Test}. Compare the frequency of the overlapping blocks of two consecutive/adjacent lengths ($m$ and $m+1$) against the expected result for a random sequence.
1045     \end{itemize}
1046
1047     \item \textbf{Non-linearity, complexity}. Finally, let us remark that non-linearity and complexity are 
1048 not only sought in general to obtain chaos, but they are also required for randomness, as illustrated by the two tests below~\cite{Nist10}.
1049     \begin{itemize}
1050 \item \textbf{Binary Matrix Rank Test}. Check for linear dependence among fixed length substrings of the original sequence.
1051 \item \textbf{Linear Complexity Test}. Determine whether or not the sequence is complex enough to be considered random.
1052       \end{itemize}
1053 \end{itemize}
1054
1055
1056 We have proven in our previous works~\cite{guyeux12:bc} that chaotic iterations satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques} are, among other
1057 things, strongly transitive, topologically mixing, chaotic as defined by Li and Yorke,
1058 and that they have a topological entropy and an exponent of Lyapunov both equal to $ln(\mathsf{N})$,
1059 where $\mathsf{N}$ is the size of the iterated vector.
1060 These topological properties make that we are ground to believe that a generator based on chaotic
1061 iterations will probably be able to pass all the existing statistical batteries for pseudorandomness like
1062 the NIST one. The following subsections, in which we prove that defective generators have their
1063 statistical properties improved by chaotic iterations, show that such an assumption is true.
1064
1065 \subsection{Details of some Existing Generators}
1066
1067 The list of defective PRNGs we will use 
1068 as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
1069
1070 Firstly, the simple linear congruency generators (LCGs) will be used. 
1071 They are defined by the following recurrence:
1072 \begin{equation}
1073 x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m,
1074 \label{LCG}
1075 \end{equation}
1076 where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and inferior to 
1077 $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer to two (resp. three) 
1078 combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
1079
1080 Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) which will be used,
1081 are based on a linear recurrence of order 
1082 $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
1083 \begin{equation}
1084 x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m .
1085 \label{MRG}
1086 \end{equation}
1087 The combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experiments.
1088
1089 Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
1090 This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
1091 \begin{equation}
1092 \label{AWC}
1093 \begin{array}{l}
1094 x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
1095 c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
1096 the SWB generator, having the recurrence:
1097 \begin{equation}
1098 \label{SWB}
1099 \begin{array}{l}
1100 x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
1101 c^n=\left\{
1102 \begin{array}{l}
1103 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
1104 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1105 and the SWC generator, which is based on the following recurrence:
1106 \begin{equation}
1107 \label{SWC}
1108 \begin{array}{l}
1109 x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1110 c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1111
1112 Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1113 \begin{equation}
1114 x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k} .
1115 \label{GFSR}
1116 \end{equation}
1117
1118
1119 Finally, the nonlinear inversive (INV) generator~\cite{LEcuyerS07} has been studied, which is:
1120
1121 \begin{equation}
1122 \label{INV}
1123 \begin{array}{l}
1124 x^n=\left\{
1125 \begin{array}{ll}
1126 (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1127 a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1128
1129
1130
1131 \begin{table}
1132 %\renewcommand{\arraystretch}{1}
1133 \caption{TestU01 Statistical Test Failures}
1134 \label{TestU011}
1135 \centering
1136   \begin{tabular}{lccccc}
1137     \toprule
1138 Test name &Tests& Logistic              & XORshift      & ISAAC\\
1139 Rabbit                          &       38      &21             &14     &0       \\
1140 Alphabit                        &       17      &16             &9      &0       \\
1141 Pseudo DieHARD                  &126    &0              &2      &0      \\
1142 FIPS\_140\_2                    &16     &0              &0      &0      \\
1143 SmallCrush                      &15     &4              &5      &0       \\
1144 Crush                           &144    &95             &57     &0       \\
1145 Big Crush                       &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1146 Failures                &       &261            &146    &0       \\
1147 \bottomrule
1148   \end{tabular}
1149 \end{table}
1150
1151
1152
1153 \begin{table}
1154 %\renewcommand{\arraystretch}{1}
1155 \caption{TestU01 Statistical Test Failures for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1156 \label{TestU01 for Old CI}
1157 \centering
1158   \begin{tabular}{lcccc}
1159     \toprule
1160 \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1161 &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1162 &+& +& + & + \\ 
1163 &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1164 Rabbit                                  &7      &2      &0      &0       \\
1165 Alphabit                                & 3     &0      &0      &0       \\
1166 DieHARD                         &0      &0      &0      &0      \\
1167 FIPS\_140\_2                    &0      &0      &0      &0      \\
1168 SmallCrush                              &2      &0      &0      &0       \\
1169 Crush                                   &47     &4      &0      &0       \\
1170 Big Crush                               &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1171 Failures                                &138    &9      &0      &0       \\
1172 \bottomrule
1173   \end{tabular}
1174 \end{table}
1175
1176
1177
1178
1179
1180 \subsection{Statistical tests}
1181 \label{Security analysis}
1182
1183 Three batteries of tests are reputed and regularly used
1184 to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1185 number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1186 the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1187 TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1188
1189
1190
1191 \label{Results and discussion}
1192 \begin{table*}
1193 %\renewcommand{\arraystretch}{1}
1194 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1195 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1196 \centering
1197   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1198     \hline\hline
1199 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1200 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1201 NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1202 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1203 \end{tabular}
1204 \end{table*}
1205
1206 Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1207 results on the two first batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1208 in the previous section
1209 cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1210 fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1211 iterations can solve this issue.
1212 %More precisely, to
1213 %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1214 %\begin{enumerate}
1215 %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1216 %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1217 %  \item \textbf{Multiple CIPRNG}: The generator is obtained by repeating the composition of the iteration function as follows: $x^0\in \mathds{B}^{\mathsf{N}}$, and $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1218 %\begin{equation}
1219 %\begin{array}{l}
1220 %\left\{
1221 %\begin{array}{l}
1222 %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1223 %\forall j\in \llbracket1;\mathsf{m}\rrbracket,f^m(x^{n-1})_{S^{nm+j}}~\text{if}~S^{nm+j}=i.\end{array} \right. \end{array}
1224 %\end{equation}
1225 %$m$ is called the \emph{functional power}.
1226 %\end{enumerate}
1227 %
1228 The obtained results are reproduced in Table
1229 \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1230 The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1231 asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1232 The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and the ``New CI'' generators.
1233 Concerning the ``Xor CI PRNG'', the score is less spectacular. Because of a large speed improvement, the statistics
1234  are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1235 However 8 tests have been improved (with no deflation for the other results).
1236
1237
1238 \begin{table*}
1239 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1240 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1241 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1242 \centering
1243   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1244     \hline
1245 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1246 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1247 Old CIPRNG\\ \hline \hline
1248 NIST & \textbf{15/15} *  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} \\ \hline
1249 DieHARD & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} * \\ \hline
1250 New CIPRNG\\ \hline \hline
1251 NIST & \textbf{15/15} *  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} \\ \hline
1252 DieHARD & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} *\\ \hline
1253 Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1254 NIST & 14/15*& \textbf{15/15} *   & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}   & 14/15 & \textbf{15/15} * & 14/15& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15}  \\ \hline
1255 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 17/18* & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18\\ \hline
1256 \end{tabular}
1257 \end{table*}
1258
1259
1260 We have then investigated in~\cite{bfg12a:ip} if it were possible to improve
1261 the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1262 $\oplus$ operation. Results are summarized in Table~\ref{threshold}, illustrating
1263 the progressive increasing effects of chaotic iterations, when giving time to chaos to get settled in.
1264 Thus rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1265 using chaotic iterations on defective generators.
1266
1267 \begin{table*}
1268 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1269 \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1270 \label{threshold}
1271 \centering
1272   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1273     \hline
1274 Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1275 Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1276 \end{tabular}
1277 \end{table*}
1278
1279 Finally, the TestU01 battery has been launched on three well-known generators 
1280 (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1281 see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1282 Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1283 Old CI PRNG that has received these generators.
1284 The obvious improvement speaks for itself, and together with the other
1285 results recalled in this section, it reinforces the opinion that a strong
1286 correlation between topological properties and statistical behavior exists.
1287
1288
1289 The next subsection will now give a concrete original implementation of the Xor CI PRNG, the
1290 fastest generator in the chaotic iteration based family. In the remainder,
1291 this generator will be simply referred to as CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1292 raise ambiguity.
1293
1294
1295 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1296 \label{sec:efficient PRNG}
1297 %
1298 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1299 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1300 %The first idea is to consider
1301 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1302 %given PRNG.
1303 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1304 %the last computed state and the current strategy.
1305 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1306 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1307 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1308 %
1309 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1310 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1311 %% are
1312 %% done.  
1313 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1314 %% binary vectors.
1315 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1316
1317 %% \begin{table}
1318 %% \begin{scriptsize}
1319 %% $$
1320 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1321 %% \hline
1322 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1323 %% \hline
1324 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1325 %% \hline
1326 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1327 %% \hline
1328
1329 %% \hline
1330 %%  \end{array}
1331 %% $$
1332 %% \end{scriptsize}
1333 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1334 %% \label{TableExemple}
1335 %% \end{table}
1336
1337
1338
1339
1340 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
1341 \begin{small}
1342 \begin{lstlisting}
1343
1344 unsigned int CIPRNG() {
1345   static unsigned int x = 123123123;
1346   unsigned long t1 = xorshift();
1347   unsigned long t2 = xor128();
1348   unsigned long t3 = xorwow();
1349   x = x^(unsigned int)t1;
1350   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1351   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1352   x = x^(unsigned int)t2;
1353   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1354   x = x^(unsigned int)t3;
1355   return x;
1356 }
1357 \end{lstlisting}
1358 \end{small}
1359
1360
1361
1362 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1363 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1364 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1365 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1366 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1367 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1368 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1369 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1370   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1371
1372 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1373 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1374 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
1375 At this point, we thus
1376 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
1377 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
1378 this fast generator cannot be proven as secure.
1379
1380
1381
1382 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1383 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1384
1385 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1386 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1387 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1388 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1389 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1390 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1391 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1392 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1393 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1394 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1395 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1396 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1397 called {\it kernels}.
1398
1399
1400 \subsection{Naive Version for GPU}
1401
1402  
1403 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1404 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1405 Of course,  the  three xor-like
1406 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1407 In a given thread, these parameters are
1408 randomly picked from another PRNGs. 
1409 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1410 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1411 parameters embedded into each thread.   
1412
1413 The implementation of  the three
1414 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1415 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1416 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1417 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1418 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1419
1420
1421 \begin{algorithm}
1422 \begin{small}
1423 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1424 PRNGs in global memory\;
1425 NumThreads: number of threads\;}
1426 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1427 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1428   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1429   \For{i=1 to n} {
1430     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1431     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1432   }
1433   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1434 }
1435 \end{small}
1436 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1437 \label{algo:gpu_kernel}
1438 \end{algorithm}
1439
1440
1441
1442 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1443 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1444 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1445 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1446 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1447 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1448 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1449 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1450 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1451 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1452
1453 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1454 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1455 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1456
1457 \begin{remark}
1458 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1459 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1460 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1461 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1462 for all the different nodes involved in the computation.
1463 \end{remark}
1464
1465 \subsection{Improved Version for GPU}
1466
1467 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1468 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1469 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1470 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1471 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1472 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1473 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1474 performed. 
1475
1476 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1477 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1478 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1479 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1480 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1481 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1482 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1483 bits).
1484
1485 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1486
1487 \begin{algorithm}
1488 \begin{small}
1489 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1490 in global memory\;
1491 NumThreads: Number of threads\;
1492 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1493
1494 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1495 \If{threadId is concerned} {
1496   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1497   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1498   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1499   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1500   \For{i=1 to n} {
1501     t=xor-like()\;
1502     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1503     shared\_mem[threadId]=t\;
1504     x = x\textasciicircum t\;
1505
1506     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1507   }
1508   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1509 }
1510 \end{small}
1511 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1512 version\label{IR}}
1513 \label{algo:gpu_kernel2} 
1514 \end{algorithm}
1515
1516 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
1517
1518 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1519 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1520 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1521 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1522 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1523 and two values previously obtained by two other threads).
1524 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1525 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1526 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1527 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1528 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1529 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1530 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1531
1532 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1533 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1534 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1535 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1536 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1537 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1538 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1539
1540 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1541 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1542 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1543
1544 \section{Experiments}
1545 \label{sec:experiments}
1546
1547 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1548 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1549 and an
1550 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1551 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1552 All the
1553 cards have 240 cores.
1554
1555 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1556 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1557 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1558 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1559 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1560 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1561 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1562 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1563 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1564 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1565 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1566 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1567 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1568 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1569 should be of better quality.
1570 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1571 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1572
1573 \begin{figure}[htbp]
1574 \begin{center}
1575   \includegraphics[scale=0.7]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1576 \end{center}
1577 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1578 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1579 \end{figure}
1580
1581
1582
1583
1584
1585 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1586 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1587 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1588 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1589 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1590 reduction.
1591
1592 \begin{figure}[htbp]
1593 \begin{center}
1594   \includegraphics[scale=0.7]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1595 \end{center}
1596 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1597 \label{fig:time_bbs_gpu}
1598 \end{figure}
1599
1600 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1601 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1602 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1603 explained by the fact that the former  version has ``only''
1604 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1605 as it is shown in the next sections.
1606
1607
1608
1609
1610
1611
1612
1613 \section{Security Analysis}
1614
1615
1616 This section is dedicated to the security analysis of the
1617   proposed PRNGs, both from a theoretical and from a practical point of view.
1618
1619 \subsection{Theoretical Proof of Security}
1620 \label{sec:security analysis}
1621
1622 The standard definition
1623   of {\it indistinguishability} used is the classical one as defined for
1624   instance in~\cite[chapter~3]{Goldreich}. 
1625   This property shows that predicting the future results of the PRNG
1626   cannot be done in a reasonable time compared to the generation time. It is important to emphasize that this
1627   is a relative notion between breaking time and the sizes of the
1628   keys/seeds. Of course, if small keys or seeds are chosen, the system can
1629   be broken in practice. But it also means that if the keys/seeds are large
1630   enough, the system is secured.
1631 As a complement, an example of a concrete practical evaluation of security
1632 is outlined in the next subsection.
1633
1634 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1635 denoted by $uv$.
1636 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1637 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1638 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1639 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1640 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1641
1642 \begin{definition}
1643 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1644 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1645 large $m$'s,
1646 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1647 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1648 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1649 internal coin tosses of $D$. 
1650 \end{definition}
1651
1652 Intuitively,  it means  that  there is  no  polynomial time  algorithm that  can
1653 distinguish a  perfect uniform random generator  from $G$ with  a non negligible
1654 probability.   An equivalent  formulation of  this well-known  security property
1655 means that  it is  possible \emph{in practice}  to predict  the next bit  of the
1656 generator, knowing all  the previously produced ones.  The  interested reader is
1657 referred to~\cite[chapter~3]{Goldreich}  for more  information. Note that  it is
1658 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial function
1659 $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1660
1661 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1662 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1663 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1664 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1665 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1666 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1667 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1668 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1669 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1670 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1671 We claim now that if this PRNG is secure,
1672 then the new one is secure too.
1673
1674 \begin{proposition}
1675 \label{cryptopreuve}
1676 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1677 PRNG too.
1678 \end{proposition}
1679
1680 \begin{proof}
1681 The proposition is proven by contraposition. Assume that $X$ is not
1682 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1683 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1684 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1685 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1686 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1687 $kN$:
1688 \begin{enumerate}
1689 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1690 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1691 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1692   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1693 \item Return $D(z)$.
1694 \end{enumerate}
1695
1696
1697 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1698 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1699 (each $w_i$ has length $N$) to 
1700 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1701   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1702 \begin{equation}\label{PCH-1}
1703 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1704 \end{equation}
1705 where $y$ is randomly generated. 
1706 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1707 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1708 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1709 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1710 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1711 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1712 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1713 one has
1714 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1715 therefore, 
1716 \begin{equation}\label{PCH-2}
1717 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1718 \end{equation}
1719
1720 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1721 \begin{equation}\label{PCH-3}
1722 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1723 \end{equation}
1724 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1725 thus
1726 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1727 D^\prime(H(x))=D(yx),
1728 \end{equation}
1729 where $y$ is randomly generated. 
1730 It follows that 
1731
1732 \begin{equation}\label{PCH-4}
1733 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1734 \end{equation}
1735  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1736 there exists a polynomial time probabilistic
1737 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1738 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1739 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1740 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1741 \end{proof}
1742
1743
1744
1745 \subsection{Practical Security Evaluation}
1746 \label{sec:Practicak evaluation}
1747
1748 Pseudorandom generators based on Eq.~\eqref{equation Oplus} are thus cryptographically secure when
1749 they are XORed with an already cryptographically
1750 secure PRNG. But, as stated previously,
1751 such a property does not mean that, whatever the
1752 key size, no attacker can predict the next bit
1753 knowing all the previously released ones.
1754 However, given a key size, it is possible to 
1755 measure in practice the minimum duration needed
1756 for an attacker to break a cryptographically
1757 secure PRNG, if we know the power of his/her
1758 machines. Such a concrete security evaluation 
1759 is related to the $(T,\varepsilon)-$security
1760 notion, which is recalled and evaluated in what 
1761 follows, for the sake of completeness.
1762
1763 Let us firstly recall that,
1764 \begin{definition}
1765 Let $\mathcal{D} : \mathds{B}^M \longrightarrow \mathds{B}$ be a probabilistic algorithm that runs
1766 in time $T$. 
1767 Let $\varepsilon > 0$. 
1768 $\mathcal{D}$ is called a $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on pseudorandom
1769 generator $G$ if
1770
1771 \begin{flushleft}
1772 $\left| Pr[\mathcal{D}(G(k)) = 1 \mid k \in_R \{0,1\}^\ell ]\right.$
1773 \end{flushleft}
1774
1775 \begin{flushright}
1776 $ - \left. Pr[\mathcal{D}(s) = 1 \mid s \in_R \mathds{B}^M ]\right| \geqslant \varepsilon,$
1777 \end{flushright}
1778
1779 \noindent where the probability is taken over the internal coin flips of $\mathcal{D}$, and the notation
1780 ``$\in_R$'' indicates the process of selecting an element at random and uniformly over the
1781 corresponding set.
1782 \end{definition}
1783
1784 Let us recall that the running time of a probabilistic algorithm is defined to be the
1785 maximum of the expected number of steps needed to produce an output, maximized
1786 over all inputs; the expected number is averaged over all coin flips made by the algorithm~\cite{Knuth97}.
1787 We are now able to define the notion of cryptographically secure PRNGs:
1788
1789 \begin{definition}
1790 A pseudorandom generator is $(T,\varepsilon)-$secure if there exists no $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on this pseudorandom generator.
1791 \end{definition}
1792
1793
1794
1795
1796
1797
1798
1799 Suppose now that the PRNG of Eq.~\eqref{equation Oplus} will work during 
1800 $M=100$ time units, and that during this period,
1801 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1802 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1803 lifetime, the attacker can distinguish this 
1804 sequence from a truly random one, with a probability
1805 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1806 We consider that $N$ has 900 bits.
1807
1808 Predicting the next generated bit knowing all the
1809 previously released ones by Eq.~\eqref{equation Oplus} is obviously equivalent to predicting the
1810 next bit in the BBS generator, which
1811 is cryptographically secure. More precisely, it
1812 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1813 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1814 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1815 \begin{equation}
1816 T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1817 \label{mesureConcrete}
1818 \end{equation}
1819 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1820 our example), and $L(N)$ is equal to
1821 $$
1822 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln~ 2)^\frac{1}{3} \times (ln(N~ln~  2))^\frac{2}{3}\right)
1823 $$
1824 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1825 integer.
1826
1827
1828
1829
1830 A direct numerical application shows that this attacker 
1831 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1832 attack in that context.
1833
1834
1835
1836 \section{Cryptographical Applications}
1837
1838 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1839 \label{sec:CSGPU}
1840
1841 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1842 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1843 it simply consists  in replacing
1844 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1845 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1846 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1847 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1848 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1849
1850   
1851 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1852 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1853 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1854 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1855 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1856 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1857 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1858 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1859 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1860 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1861 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1862 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1863   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1864 the followings  modifications. 
1865 \begin{itemize}
1866 \item
1867 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1868 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1869 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1870 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1871 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1872 %This approach  adds more randomness.   
1873 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1874 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1875 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1876 \item
1877 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1878 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1879 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1880 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1881 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1882 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1883 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1884 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1885 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1886 and add 3 new bits.
1887 \item
1888 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1889 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1890 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1891 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1892 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1893 \end{itemize}
1894
1895 \begin{algorithm}
1896 \begin{small}
1897 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1898 in global memory\;
1899 NumThreads: Number of threads\;
1900 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1901 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1902 }
1903
1904 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1905 \If{threadId is concerned} {
1906   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1907   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1908   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1909   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1910   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1911   \For{i=1 to n} {
1912     t$<<$=4\;
1913     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1914     ...\;
1915     t$<<$=4\;
1916     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1917     \tcp{two new shifts}
1918     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1919     t$<<$=shift\;
1920     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1921     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1922     t$<<$=shift\;
1923     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1924     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1925     shared\_mem[threadId]=t\;
1926     x = x\textasciicircum   t\;
1927
1928     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1929   }
1930   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1931 }
1932 \end{small}
1933 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1934 \label{algo:bbs_gpu}
1935 \end{algorithm}
1936
1937 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1938 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1939 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1940 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1941 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1942 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1943 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1944 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1945 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1946 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1947   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1948 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1949 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1950 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1951 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1952 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1953 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1954
1955 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1956 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1957 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1958 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1959 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is 
1960 cryptographically secure.
1961
1962 As stated before, even if the proposed PRNG is cryptocaphically
1963 secure, it does not mean that such a generator
1964 can be used as described here when attacks are
1965 awaited. The problem is to determine the minimum 
1966 time required for an attacker, with a given 
1967 computational power, to predict under a probability
1968 lower than 0.5 the $n+1$th bit, knowing the $n$
1969 previous ones. The proposed GPU generator will be
1970 useful in a security context, at least in some 
1971 situations where a secret protected by a pseudorandom
1972 keystream is rapidly obsolete, if this time to 
1973 predict the next bit is large enough when compared
1974 to both the generation and transmission times.
1975 It is true that the prime numbers used in the last
1976 section are very small compared to up-to-date 
1977 security recommendations. However the attacker has not
1978 access to each BBS, but to the output produced 
1979 by Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, which is far
1980 more complicated than a simple BBS. Indeed, to
1981 determine if this cryptographically secure PRNG
1982 on GPU can be useful in security context with the 
1983 proposed parameters, or if it is only a very fast
1984 and statistically perfect generator on GPU, its
1985 $(T,\varepsilon)-$security must be determined, and
1986 a formulation similar to Eq.\eqref{mesureConcrete}
1987 must be established. Authors
1988 hope to achieve this difficult task in a future
1989 work.
1990
1991
1992 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1993 \label{Blum-Goldwasser}
1994 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1995 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1996 This first approach will be further investigated in a future work.
1997
1998 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1999
2000 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
2001 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
2002 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
2003 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
2004 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
2005  reconstruction of the keystream.
2006
2007 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
2008 randomly and independently of each other, that are
2009  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
2010 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
2011
2012
2013 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
2014 \begin{enumerate}
2015 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
2016 \item He uses the BBS to generate the keystream of $L$ pseudorandom bits $(b_0, \dots, b_{L-1})$, as follows. For $i=0$ to $L-1$,
2017 \begin{itemize}
2018 \item $i=0$.
2019 \item While $i \leqslant L-1$:
2020 \begin{itemize}
2021 \item Set $b_i$ equal to the least-significant\footnote{As signaled previously, BBS can securely output up to $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ of the least-significant bits of $x_i$ during each round.} bit of $x_i$,
2022 \item $i=i+1$,
2023 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
2024 \end{itemize}
2025 \end{itemize}
2026 \item The ciphertext is computed by XORing the plaintext bits $m$ with the keystream: $ c = (c_0, \dots, c_{L-1}) = m \oplus  b$. This ciphertext is $[c, y]$, where $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
2027 \end{enumerate}
2028
2029
2030 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
2031 \begin{enumerate}
2032 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
2033 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
2034 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
2035 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
2036 \end{enumerate}
2037
2038
2039 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
2040
2041 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
2042 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
2043 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
2044 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
2045 her new public key will be $(S^0, N)$.
2046
2047 To encrypt his message, Bob will compute
2048 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
2049 \begin{equation*}
2050 c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.
2051  \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)
2052 \end{equation*}
2053 instead of $$\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$$. 
2054
2055 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
2056 $$\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$$.
2057 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
2058 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
2059 the inheritance of all the properties presented in this paper.
2060
2061 \section{Conclusion}
2062
2063
2064 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
2065 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
2066 chaotic according to Devaney.
2067 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
2068 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
2069 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
2070 namely the BigCrush.
2071 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
2072 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
2073 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
2074 An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
2075 behave chaotically, has finally been proposed. 
2076
2077 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
2078 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
2079 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
2080 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
2081 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
2082 in a simulation context or in a cryptographic one.
2083
2084
2085
2086 \bibliographystyle{plain} 
2087 \bibliography{mabase}
2088 \end{document}