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

Private GIT Repository
34ec700d4874d7fa276a8ee5e0a1002e61fa25f7
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 \documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[T1]{fontenc}
5 \usepackage{fullpage}
6 \usepackage{fancybox}
7 \usepackage{amsmath}
8 \usepackage{amscd}
9 \usepackage{moreverb}
10 \usepackage{commath}
11 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
12 \usepackage{listings}
13 \usepackage[standard]{ntheorem}
14
15 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
16 \usepackage{dsfont}
17
18 % Pour avoir des intervalles d'entiers
19 \usepackage{stmaryrd}
20
21 \usepackage{graphicx}
22 % Pour faire des sous-figures dans les figures
23 \usepackage{subfigure}
24
25 \usepackage{color}
26
27 \newtheorem{notation}{Notation}
28
29 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
30 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
31 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
32 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
33 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
34 \let\sur=\overline
35
36 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
37
38 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
39 \begin{document}
40
41 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
42 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
43    
44
45 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
46 \begin{abstract}
47 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
48 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
49 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
50 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
51 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
52 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
53 cards.
54 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
55 secure.
56 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
57
58
59 \end{abstract}
60 }
61
62 \maketitle
63
64 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
65 \IEEEpeerreviewmaketitle
66
67
68 \section{Introduction}
69
70 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
71 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
72 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
73 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
74 generator (TRNG). 
75 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
76 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
77 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
78 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
79 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
80 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
81 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
82 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
83 achieve both speed and randomness.
84 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
85 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
86 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
87 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
88 sequence. 
89 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
90 third requirement, that is to define chaotic generators.
91 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
92 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
93 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
94 and unassailable due to chaos.
95 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
96 whereas computers deal with finite precision numbers.
97 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
98 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
99 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
100 between chaos and security as it is understood in cryptography.
101 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
102
103 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
104 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
105 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
106 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
107 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
108 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
109 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
110 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
111 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
112 \emph{only if these last properties are not lost during
113 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
114 It leads to the attempts to define a 
115 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
116 or cryptographically secure.
117 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
118 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
119 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
120 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
121 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
122 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
123 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
124
125
126 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
127 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
128 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
129 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
130 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
131 cannot.
132 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
133 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
134 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
135 is proposed.
136 Although GPU was initially designed  to accelerate
137 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
138 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
139 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
140 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
141 Such device
142 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
143 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
144 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
145 property.
146 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
147 key encryption protocol by using the proposed method.
148
149 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
150   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
151   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
152   and on an iteration process called ``chaotic
153 iterations'' on which the post-treatment is based. 
154 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
155 Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
156 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
157   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
158 Such generators are experimented in 
159 Section~\ref{sec:experiments}.
160 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
161 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
162 generator provided by the post-treatment.
163 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
164 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
165 in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
166 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
167 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
168 summarized and intended future work is presented.
169
170
171
172
173 \section{Related works on GPU based PRNGs}
174 \label{section:related works}
175
176 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
177 literature, so that exhaustivity is impossible.
178 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
179 in this domain, from their subjective point of view. 
180 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
181 only when the information is given in the related work. 
182 A million numbers  per second will be simply written as
183 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
184
185 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
186 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
187 operations. Authors can   generate  about
188 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
189 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
190 chaos or cryptography in this document.
191
192 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
193 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
194 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
195 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
196 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
197 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
198
199
200 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
201 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
202 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
203 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
204 FPGA appears as  the  fastest  and the most
205 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
206 per joule. 
207 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
208 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
209 the results presented in this document.
210 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
211 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
212
213 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
214 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
215 other things 
216 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
217 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
218 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
219 \newline
220 \newline
221 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.
222
223 \section{Basic Recalls}
224 \label{section:BASIC RECALLS}
225
226 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
227 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
228 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
229
230
231 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
232
233 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
234 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
235 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
236 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
237
238
239 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
240 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
241
242 \begin{definition}
243 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
244 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
245 \varnothing$.
246 \end{definition}
247
248 \begin{definition}
249 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
250 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
251 \end{definition}
252
253 \begin{definition}
254 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
255 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
256 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
257 necessarily the same period).
258 \end{definition}
259
260
261 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
262 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
263 topologically transitive.
264 \end{definition}
265
266 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
267 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
268
269 \begin{definition}
270 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
271 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
272 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
273 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
274
275 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
276 \end{definition}
277
278 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
279 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
280 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
281 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
282 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
283 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
284 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
285 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
286 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
287 possible and occur in an unpredictable way.
288
289
290
291 \subsection{Chaotic Iterations}
292 \label{sec:chaotic iterations}
293
294
295 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
296 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
297 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
298  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
299 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
300 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
301 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
302
303 \begin{definition}
304 \label{Def:chaotic iterations}
305 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
306 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
307 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
308 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
309 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
310 \begin{equation}
311 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
312 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
313 \begin{array}{ll}
314   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
315   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
316 \end{array}\right.
317 \end{equation}
318 \end{definition}
319
320 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
321 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
322 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
323 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
324 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
325 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
326 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
327 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
328
329
330 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
331 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
332
333 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
334 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
335 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
336 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
337 \begin{equation*}
338 \begin{array}{lrll}
339 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
340 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
341 \end{array}%
342 \end{equation*}%
343 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
344 Consider the phase space:
345 \begin{equation}
346 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
347 \mathds{B}^\mathsf{N},
348 \end{equation}
349 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
350 \begin{equation}
351 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
352 \end{equation}
353 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
354 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
355 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
356 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
357 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
358 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
359 \begin{equation}
360 \left\{
361 \begin{array}{l}
362 X^0 \in \mathcal{X} \\
363 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
364 \end{array}%
365 \right.
366 \end{equation}%
367
368 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
369 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
370 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
371 chaotic. 
372 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
373 (\check{S},\check{E})\in
374 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
375 \begin{equation}
376 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
377 \end{equation}
378 \noindent where
379 \begin{equation}
380 \left\{
381 \begin{array}{lll}
382 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
383 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
384 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
385 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
386 \end{array}%
387 \right.
388 \end{equation}
389
390
391 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
392 \begin{itemize}
393 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
394 their distance should increase too.
395 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
396 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
397 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
398 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
399 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
400 updated components are the same as well.
401 \end{itemize}
402 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
403 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
404 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
405 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
406 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
407 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
408 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
409 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
410
411 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
412
413 \begin{proposition}
414 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
415 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
416 \end{proposition}
417
418 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
419 Boolean negation $f(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
420 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
421
422 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
423 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
424 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
425 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
426 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
427 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
428 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
429 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
430 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
431 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
432 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
433
434
435 \begin{theorem}
436 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
437 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
438 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
439 \end{theorem}
440
441 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
442 \begin{theorem}
443   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
444   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
445   matrix and $M$
446   a $n\times n$ matrix defined by 
447   $
448   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
449   if $i \neq j$ and  
450   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
451   
452   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
453   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
454   a law that tends to the uniform distribution 
455   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
456 \end{theorem} 
457
458
459 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
460 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
461 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
462 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
463 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
464 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
465 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
466 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
467 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
468
469 \section{Application to Pseudorandomness}
470 \label{sec:pseudorandom}
471
472 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
473
474 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
475 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
476 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
477 generator taken alone. Furthermore, our generator 
478 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
479 present.
480
481
482 \begin{algorithm}[h!]
483 \begin{small}
484 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
485 ($n$ bits)}
486 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
487 $x\leftarrow x^0$\;
488 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
489 \For{$i=0,\dots,k$}
490 {
491 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
492 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
493 }
494 return $x$\;
495 \end{small}
496 \caption{PRNG with chaotic functions}
497 \label{CI Algorithm}
498 \end{algorithm}
499
500
501
502
503 \begin{algorithm}[h!]
504 \begin{small}
505 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
506 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
507 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
508 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
509 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
510 $y\leftarrow{z}$\;
511 return $y$\;
512 \end{small}
513 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
514 \label{XORshift}
515 \end{algorithm}
516
517
518
519
520
521 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
522 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
523 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
524 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
525 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
526 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs~\cite{Marsaglia2003} that return integers
527 uniformly distributed
528 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
529 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
530 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
531 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
532 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
533 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
534
535 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.
536
537 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
538
539 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
540 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
541 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
542 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
543 this algorithm can be rewritten as follows:
544
545 \begin{equation}
546 \left\{
547 \begin{array}{l}
548 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
549 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
550 \end{array}
551 \right.
552 \label{equation Oplus}
553 \end{equation}
554 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
555 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
556 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
557 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
558 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
559 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
560 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
561
562 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
563 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
564 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
565
566 \begin{equation}
567 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
568 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
569 \begin{array}{ll}
570   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
571   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
572 \end{array}\right.
573 \label{eq:generalIC}
574 \end{equation}
575 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
576 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
577 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
578 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
579 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
580 we select a subset of components to change.
581
582
583 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
584 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
585 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
586 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
587 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
588 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
589 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
590 faster, does not deflate their topological chaos properties.
591
592 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
593 \label{deuxième def}
594 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
595 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
596 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
597
598 \begin{equation}
599   x_i^n=\left\{
600 \begin{array}{ll}
601   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
602   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
603 \end{array}\right.
604 \label{general CIs}
605 \end{equation}
606
607 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
608 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
609
610 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
611 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
612 is required in order to study the topological behavior of the system.
613
614 Let us introduce the following function:
615 \begin{equation}
616 \begin{array}{cccc}
617  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
618          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
619 \end{array} 
620 \end{equation}
621 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
622
623 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
624 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
625 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
626 \begin{equation*}
627 \begin{array}{rll}
628  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
629 \end{array}%
630 \end{equation*}%
631 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
632 is the negation of the Boolean $x$.
633 Consider the phase space:
634 \begin{equation}
635 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
636 \mathds{B}^\mathsf{N},
637 \end{equation}
638 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
639 \begin{equation}
640 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...
641 \end{equation}
642 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
643 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
644 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
645 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
646 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
647 be described by the following discrete dynamical system:
648 \begin{equation}
649 \left\{
650 \begin{array}{l}
651 X^0 \in \mathcal{X} \\
652 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
653 \end{array}%
654 \right.
655 \end{equation}%
656
657 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
658 iterations. 
659
660 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
661 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
662 Let us introduce:
663 \begin{equation}
664 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
665 \label{nouveau d}
666 \end{equation}
667 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
668  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
669 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
670  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
671 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
672 %% \begin{equation}
673 %% \left\{
674 %% \begin{array}{lll}
675 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
676 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
677 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
678 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
679 %% \end{array}%
680 %% \right.
681 %% \end{equation}
682 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
683 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
684
685
686 \begin{proposition}
687 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
688 \end{proposition}
689
690 \begin{proof}
691  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
692 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
693  \begin{itemize}
694 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
695 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
696 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
697  \item $d_s$ is symmetric 
698 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
699 of the symmetric difference. 
700 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
701 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
702 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
703 inequality is obtained.
704  \end{itemize}
705 \end{proof}
706
707
708 Before being able to study the topological behavior of the general 
709 chaotic iterations, we must first establish that:
710
711 \begin{proposition}
712  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
713 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
714 \end{proposition}
715
716
717 \begin{proof}
718 We use the sequential continuity.
719 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
720 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
721 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
722 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
723 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
724 sequences).\newline
725 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
726 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
727 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
728 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
729 cell will change its state:
730 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
731
732 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
733 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
734 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
735 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
736
737 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
738 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
739 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
740 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
741 \noindent We now prove that the distance between $\left(
742 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
743 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
744 \begin{itemize}
745 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
746 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
747 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
748 \medskip
749 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
750 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
751 \begin{equation*}
752 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
753 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
754 \end{equation*}%
755 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
756 \end{itemize}
757 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
758 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
759 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
760 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
761
762 In conclusion,
763 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
764 $
765 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
766 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
767 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
768 \leqslant \varepsilon .
769 $
770 $G_{f}$ is consequently continuous.
771 \end{proof}
772
773
774 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
775 iterations. We will prove that,
776
777 \begin{theorem}
778 \label{t:chaos des general}
779  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
780 the Devaney's property of chaos.
781 \end{theorem}
782
783 Let us firstly prove the following lemma.
784
785 \begin{lemma}[Strong transitivity]
786 \label{strongTrans}
787  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
788 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
789 \end{lemma}
790
791 \begin{proof}
792  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
793 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
794 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
795 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
796 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
797 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
798 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
799 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
800 \begin{itemize}
801  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
802  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
803 \end{itemize}
804 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
805 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
806 claimed in the lemma.
807 \end{proof}
808
809 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
810
811 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
812 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
813
814 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
815 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
816 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
817 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
818 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
819
820 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
821 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
822 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
823 and $t_2\in\mathds{N}$ such
824 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
825
826 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
827 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
828 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
829 $$\tilde
830 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
831 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
832 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
833 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
834 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
835 \end{proof}
836
837
838
839 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
840 \label{sec:efficient PRNG}
841
842 Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
843 improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
844 The first idea is to consider
845 that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
846 given PRNG.
847 An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
848 the last computed state and the current strategy.
849 Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
850 iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
851 obtain some statistical improvements while preserving speed.
852
853 %%RAPH : j'ai viré tout ca
854 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
855 %% are
856 %% done.  
857 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
858 %% binary vectors.
859 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
860
861 %% \begin{table}
862 %% \begin{scriptsize}
863 %% $$
864 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
865 %% \hline
866 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
867 %% \hline
868 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
869 %% \hline
870 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
871 %% \hline
872
873 %% \hline
874 %%  \end{array}
875 %% $$
876 %% \end{scriptsize}
877 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
878 %% \label{TableExemple}
879 %% \end{table}
880
881
882
883
884 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
885 \begin{small}
886 \begin{lstlisting}
887
888 unsigned int CIPRNG() {
889   static unsigned int x = 123123123;
890   unsigned long t1 = xorshift();
891   unsigned long t2 = xor128();
892   unsigned long t3 = xorwow();
893   x = x^(unsigned int)t1;
894   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
895   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
896   x = x^(unsigned int)t2;
897   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
898   x = x^(unsigned int)t3;
899   return x;
900 }
901 \end{lstlisting}
902 \end{small}
903
904
905
906 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
907 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
908 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
909 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
910 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
911 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
912 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
913 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
914   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
915
916 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
917 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
918 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
919
920 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
921 \label{sec:efficient PRNG gpu}
922
923 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
924 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
925 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
926 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
927 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
928 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
929 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
930 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
931 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
932 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
933 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
934 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
935 called {\it kernels}.
936
937
938 \subsection{Naive Version for GPU}
939
940  
941 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
942 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
943 Of course,  the  three xor-like
944 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
945 In a given thread, these parameters are
946 randomly picked from another PRNGs. 
947 The  initialization stage is performed by  the CPU.
948 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
949 parameters embedded into each thread.   
950
951 The implementation of  the three
952 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
953 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
954 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
955 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
956 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
957
958
959 \begin{algorithm}
960 \begin{small}
961 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
962 PRNGs in global memory\;
963 NumThreads: number of threads\;}
964 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
965 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
966   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
967   \For{i=1 to n} {
968     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
969     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
970   }
971   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
972 }
973 \end{small}
974 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
975 \label{algo:gpu_kernel}
976 \end{algorithm}
977
978
979
980 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
981 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
982 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
983 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
984 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
985 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
986 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
987 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
988 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
989 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
990
991 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
992 the versions that have been tested depending on their number of threads 
993 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
994
995 \begin{remark}
996 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
997 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
998 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
999 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1000 for all the different nodes involved in the computation.
1001 \end{remark}
1002
1003 \subsection{Improved Version for GPU}
1004
1005 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1006 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1007 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1008 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1009 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1010 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1011 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1012 performed. 
1013
1014 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1015 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1016 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1017 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1018 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1019 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1020 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1021 bits).
1022
1023 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1024
1025 \begin{algorithm}
1026 \begin{small}
1027 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1028 in global memory\;
1029 NumThreads: Number of threads\;
1030 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1031
1032 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1033 \If{threadId is concerned} {
1034   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1035   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1036   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1037   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1038   \For{i=1 to n} {
1039     t=xor-like()\;
1040     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1041     shared\_mem[threadId]=t\;
1042     x = x\textasciicircum t\;
1043
1044     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1045   }
1046   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1047 }
1048 \end{small}
1049 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1050 version\label{IR}}
1051 \label{algo:gpu_kernel2} 
1052 \end{algorithm}
1053
1054 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1055
1056 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1057 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1058 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1059 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1060 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1061 and two values previously obtained by two other threads).
1062 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1063 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1064 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1065 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1066 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1067 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1068 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1069
1070 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1071 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1072 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1073 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1074 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1075 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1076 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1077
1078 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1079 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1080 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1081
1082 \section{Experiments}
1083 \label{sec:experiments}
1084
1085 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1086 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1087 and an
1088 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1089 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1090 All the
1091 cards have 240 cores.
1092
1093 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1094 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1095 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1096 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1097 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1098 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1099 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1100 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1101 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1102 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1103 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1104 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1105 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1106 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1107 should be of better quality.
1108 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1109 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1110
1111 \begin{figure}[htbp]
1112 \begin{center}
1113   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1114 \end{center}
1115 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1116 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1117 \end{figure}
1118
1119
1120
1121
1122
1123 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1124 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1125 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1126 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1127 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1128 reduction.
1129
1130 \begin{figure}[htbp]
1131 \begin{center}
1132   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1133 \end{center}
1134 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1135 \label{fig:time_bbs_gpu}
1136 \end{figure}
1137
1138 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1139 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1140 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1141 explained by the fact that the former  version has ``only''
1142 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1143 as it is shown in the next sections.
1144
1145
1146
1147
1148
1149
1150
1151 \section{Security Analysis}
1152 \label{sec:security analysis}
1153
1154
1155
1156 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1157 denoted by $uv$.
1158 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1159 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1160 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1161 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1162 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1163
1164 \begin{definition}
1165 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1166 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1167 large $m$'s,
1168 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1169 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1170 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1171 internal coin tosses of $D$. 
1172 \end{definition}
1173
1174 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1175 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1176 negligible probability. The interested reader is referred
1177 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1178 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1179 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1180
1181 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1182 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1183 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1184 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1185 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1186 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1187 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1188 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1189 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1190 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1191 We claim now that if this PRNG is secure,
1192 then the new one is secure too.
1193
1194 \begin{proposition}
1195 \label{cryptopreuve}
1196 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1197 PRNG too.
1198 \end{proposition}
1199
1200 \begin{proof}
1201 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1202 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1203 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1204 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1205 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1206 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1207 $kN$:
1208 \begin{enumerate}
1209 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1210 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1211 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1212   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1213 \item Return $D(z)$.
1214 \end{enumerate}
1215
1216
1217 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1218 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1219 (each $w_i$ has length $N$) to 
1220 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1221   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1222 \begin{equation}\label{PCH-1}
1223 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1224 \end{equation}
1225 where $y$ is randomly generated. 
1226 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1227 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1228 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1229 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1230 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1231 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1232 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1233 one has
1234 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1235 therefore, 
1236 \begin{equation}\label{PCH-2}
1237 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1238 \end{equation}
1239
1240 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1241 \begin{equation}\label{PCH-3}
1242 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1243 \end{equation}
1244 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1245 thus
1246 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1247 D^\prime(H(x))=D(yx),
1248 \end{equation}
1249 where $y$ is randomly generated. 
1250 It follows that 
1251
1252 \begin{equation}\label{PCH-4}
1253 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1254 \end{equation}
1255  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1256 there exists a polynomial time probabilistic
1257 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1258 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1259 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1260 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1261 \end{proof}
1262
1263
1264 \section{Cryptographical Applications}
1265
1266 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1267 \label{sec:CSGPU}
1268
1269 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1270 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1271 it simply consists  in replacing
1272 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1273 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1274 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1275 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1276 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1277
1278   
1279 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1280 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1281 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1282 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1283 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1284 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1285 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1286 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1287 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1288 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1289 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1290 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1291   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1292 the followings  modifications. 
1293 \begin{itemize}
1294 \item
1295 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1296 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1297 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1298 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1299 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1300 %This approach  adds more randomness.   
1301 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1302 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1303 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1304 \item
1305 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1306 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1307 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1308 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1309 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1310 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1311 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1312 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1313 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1314 and add 3 new bits.
1315 \item
1316 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1317 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1318 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1319 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1320 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1321 \end{itemize}
1322
1323 \begin{algorithm}
1324 \begin{small}
1325 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1326 in global memory\;
1327 NumThreads: Number of threads\;
1328 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1329 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1330 }
1331
1332 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1333 \If{threadId is concerned} {
1334   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1335   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1336   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1337   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1338   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1339   \For{i=1 to n} {
1340     t$<<$=4\;
1341     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1342     ...\;
1343     t$<<$=4\;
1344     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1345     \tcp{two new shifts}
1346     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1347     t$<<$=shift\;
1348     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1349     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1350     t$<<$=shift\;
1351     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1352     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1353     shared\_mem[threadId]=t\;
1354     x = x\textasciicircum   t\;
1355
1356     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1357   }
1358   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1359 }
1360 \end{small}
1361 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1362 \label{algo:bbs_gpu}
1363 \end{algorithm}
1364
1365 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1366 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1367 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1368 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1369 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1370 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1371 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1372 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1373 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1374 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1375   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1376 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1377 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1378 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1379 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1380 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1381 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1382
1383 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1384 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1385 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1386 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1387 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
1388 secure.
1389
1390
1391
1392 \begin{color}{red}
1393 \subsection{Practical Security Evaluation}
1394
1395 Suppose now that the PRNG will work during 
1396 $M=100$ time units, and that during this period,
1397 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1398 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1399 lifetime, the attacker can distinguish this 
1400 sequence from truly random one, with a probability
1401 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1402 We consider that $N$ has 900 bits.
1403
1404 The random process is the BBS generator, which
1405 is cryptographically secure. More precisely, it
1406 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1407 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1408 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1409 $$
1410 T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1411 $$
1412 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1413 our example), and $L(N)$ is equal to
1414 $$
1415 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln(2)^\frac{1}{3}) \times ln(N~ln 2)^\frac{2}{3}\right)
1416 $$
1417 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1418 integer.
1419
1420 A direct numerical application shows that this attacker 
1421 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1422 attack in that context.
1423
1424 \end{color}
1425
1426 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1427 \label{Blum-Goldwasser}
1428 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1429 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1430 This first approach will be further investigated in a future work.
1431
1432 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1433
1434 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
1435 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
1436 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
1437 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
1438 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
1439  reconstruction of the keystream.
1440
1441 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
1442 randomly and independently of each other, that are
1443  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
1444 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
1445
1446
1447 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
1448 \begin{enumerate}
1449 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
1450 \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 $L-1$,
1451 \begin{itemize}
1452 \item $i=0$.
1453 \item While $i \leqslant L-1$:
1454 \begin{itemize}
1455 \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 $x_i$,
1456 \item $i=i+1$,
1457 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
1458 \end{itemize}
1459 \end{itemize}
1460 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
1461 \end{enumerate}
1462
1463
1464 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
1465 \begin{enumerate}
1466 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
1467 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
1468 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
1469 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
1470 \end{enumerate}
1471
1472
1473 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
1474
1475 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
1476 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
1477 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
1478 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
1479 her new public key will be $(S^0, N)$.
1480
1481 To encrypt his message, Bob will compute
1482 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
1483 %\begin{equation}
1484 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
1485 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
1486 %%\end{equation}
1487 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
1488
1489 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
1490 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
1491 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
1492 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
1493 the inheritance of all the properties presented in this paper.
1494
1495 \section{Conclusion}
1496
1497
1498 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
1499 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
1500 chaotic according to Devaney.
1501 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
1502 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
1503 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
1504 namely the BigCrush.
1505 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
1506 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
1507 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
1508 \begin{color}{red} An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
1509 behaves chaotically, has finally been proposed. \end{color}
1510
1511 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
1512 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
1513 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
1514 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
1515 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
1516 in a simulation context or in a cryptographic one.
1517
1518
1519
1520 \bibliographystyle{plain} 
1521 \bibliography{mabase}
1522 \end{document}