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20 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
21 \usepackage{dsfont}
22
23 % Pour avoir des intervalles d'entiers
24 \usepackage{stmaryrd}
25
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31 \externaldocument[A-]{supplementary}
32
33
34
35 \newtheorem{notation}{Notation}
36
37 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
38 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
39 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
40 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
41 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
42 \let\sur=\overline
43
44 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
45
46
47
48 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
49 \begin{document}
50
51 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
52 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
53    
54
55 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
56 \begin{abstract}
57 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
58 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations and
59 it is thus chaotic according to the Devaney's  formulation. We propose  an efficient
60 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
61 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
62 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
63 cards.
64 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
65 secure.
66 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
67
68
69 \end{abstract}
70 }
71
72 \maketitle
73
74 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
75 \IEEEpeerreviewmaketitle
76
77
78 \section{Introduction}
79
80 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
81 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
82 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
83 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
84 generator (TRNG). 
85 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
86 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
87 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
88 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
89 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
90 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
91 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
92 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
93 achieve both speed and randomness.
94 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
95 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
96 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
97 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
98 sequence.  However, in an equivalent formulation, he or she should not be
99 able (in practice) to predict the next bit of the generator, having the knowledge of all the 
100 binary digits that have been already released. ``Being able in practice'' refers here
101 to the possibility to achieve this attack in polynomial time, and to the exponential growth
102 of the difficulty of this challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
103
104
105 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
106 third requirement, that is to define chaotic generators.
107 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
108 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
109 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
110 and unassailable due to chaos.
111 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
112 whereas computers deal with finite precision numbers.
113 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
114 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
115 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
116 between chaos and security as it is understood in cryptography.
117 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
118
119 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
120 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
121 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
122 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
123 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
124 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
125 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
126 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
127 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
128 \emph{only if these last properties are not lost during
129 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
130 It leads to the attempts to define a 
131 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
132 or cryptographically secure.
133 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
134 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
135 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
136 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
137 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
138 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
139 twice in order to observe if all $p-$values are inside [0.01, 0.99]. In
140 fact, we observed that few $p-$values (less than ten) are sometimes
141 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
142 second run allows us to confirm that the values outside are not for
143 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
144   BigCrush} successfully and all $p-$values are at least once inside
145 [0.01, 0.99].
146 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
147 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
148
149 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
150 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
151 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
152 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
153 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
154 cannot.
155 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
156 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
157 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
158 is proposed.
159 Although GPU was initially designed  to accelerate
160 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
161 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
162 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
163 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
164 Such device
165 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
166 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
167 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
168 property.
169 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
170 key encryption protocol by using the proposed method.
171
172
173 {\bf Main contributions.} In this paper a new PRNG using chaotic iteration
174 is defined. From a theoretical point of view, it is proven that it has fine
175 topological chaotic properties and that it is cryptographically secured (when
176 the initial PRNG is also cryptographically secured). From a practical point of
177 view, experiments point out a very good statistical behavior. An optimized
178 original implementation of this PRNG is also proposed and experimented.
179 Pseudorandom numbers are generated at a rate of 20GSamples/s, which is faster
180 than in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09,Marsaglia2003} (and with a better
181 statistical behavior). Experiments are also provided using BBS as the initial
182 random generator. The generation speed is significantly weaker.
183 Note also that an original qualitative comparison between topological chaotic
184 properties and statistical test is also proposed.
185
186
187
188
189 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
190   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
191   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
192   and on an iteration process called ``chaotic
193 iterations'' on which the post-treatment is based. 
194 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
195
196 Section~\ref{The generation of pseudorandom sequence} illustrates the statistical
197 improvement related to the chaotic iteration based post-treatment, for
198 our previously released PRNGs and a new efficient 
199 implementation on CPU.
200
201  Section~\ref{sec:efficient PRNG
202   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
203 Such generators are experimented in 
204 Section~\ref{sec:experiments}.
205 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
206 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
207 generator provided by the post-treatment.
208 A practical
209 security evaluation is also outlined in Section~\ref{sec:Practicak evaluation}.
210 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
211 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
212 in Section~\ref{sec:CSGPU} and to an improvement of the
213 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
214 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
215 summarized and intended future work is presented.
216
217
218
219
220 \section{Related work on GPU based PRNGs}
221 \label{section:related works}
222
223 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
224 literature, so that exhaustivity is impossible.
225 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
226 in this domain, from their subjective point of view. 
227 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
228 only when the information is given in the related work. 
229 A million numbers  per second will be simply written as
230 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
231
232 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
233 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
234 operations. Authors can   generate  about
235 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
236 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
237 chaos or cryptography in this document.
238
239 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
240 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
241 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
242 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
243 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
244 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
245
246
247 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
248 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
249 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
250 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
251 FPGA appears as  the  fastest  and the most
252 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
253 per joule. 
254 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
255 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
256 the results presented in this document.
257 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
258 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
259
260 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
261 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
262 other things 
263 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
264 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
265 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
266 \newline
267 \newline
268 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.
269
270 \section{Basic Recalls}
271 \label{section:BASIC RECALLS}
272
273 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
274 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
275 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
276
277
278 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
279 \label{subsec:Devaney}
280 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
281 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
282 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
283 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
284
285
286 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
287 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
288
289 \begin{definition}
290 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
291 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
292 \varnothing$.
293 \end{definition}
294
295 \begin{definition}
296 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
297 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
298 \end{definition}
299
300 \begin{definition}
301 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
302 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
303 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
304 necessarily the same period).
305 \end{definition}
306
307
308 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
309 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
310 topologically transitive.
311 \end{definition}
312
313 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
314 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
315
316 \begin{definition}
317 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
318 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
319 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
320 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
321
322 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
323 \end{definition}
324
325 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
326 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
327 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
328 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
329 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
330 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
331 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
332 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
333 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
334 possible and occur in an unpredictable way.
335
336
337
338 \subsection{Chaotic Iterations}
339 \label{sec:chaotic iterations}
340
341
342 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
343 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
344 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
345  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
346 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
347 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
348 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
349
350 \begin{definition}
351 \label{Def:chaotic iterations}
352 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
353 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
354 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
355 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
356 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
357 \begin{equation}
358 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
359 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
360 \begin{array}{ll}
361   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
362   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
363 \end{array}\right.
364 \end{equation}
365 \end{definition}
366
367 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
368 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
369 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
370 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
371 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
372 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
373 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
374 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
375
376
377 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
378 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
379
380 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
381 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
382 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
383 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
384 \begin{equation*}
385 \begin{array}{lrll}
386 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
387 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
388 \end{array}%
389 \end{equation*}%
390 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
391 Consider the phase space:
392 \begin{equation}
393 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
394 \mathds{B}^\mathsf{N},
395 \end{equation}
396 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
397 \begin{equation}
398 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
399 \end{equation}
400 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
401 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
402 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
403 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
404 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
405 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
406 \begin{equation}
407 \left\{
408 \begin{array}{l}
409 X^0 \in \mathcal{X} \\
410 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
411 \end{array}%
412 \right.
413 \end{equation}%
414
415 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
416 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
417 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
418 chaotic. 
419 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
420 (\check{S},\check{E})\in
421 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
422 \begin{equation}
423 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
424 \end{equation}
425 \noindent where
426 \begin{equation}
427 \left\{
428 \begin{array}{lll}
429 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
430 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
431 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
432 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
433 \end{array}%
434 \right.
435 \end{equation}
436
437
438 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
439 \begin{itemize}
440 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
441 their distance should increase too.
442 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
443 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
444 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
445 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
446 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
447 updated components are the same as well.
448 \end{itemize}
449 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
450 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
451 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
452 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
453 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
454 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
455 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
456 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
457
458 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
459
460 \begin{proposition}
461 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
462 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
463 \end{proposition}
464
465 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
466 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
467 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
468
469 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
470 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
471 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
472 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
473 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
474 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
475 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
476 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
477 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
478 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
479 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
480
481
482 \begin{theorem}
483 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
484 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
485 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
486 \end{theorem}
487
488 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
489 \begin{theorem}
490   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
491   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
492   matrix and $M$
493   a $n\times n$ matrix defined by 
494   $
495   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
496   if $i \neq j$ and  
497   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
498   
499   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
500   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
501   a law that tends to the uniform distribution 
502   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
503 \end{theorem} 
504
505
506 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
507 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
508 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
509 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
510 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
511 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
512 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
513 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
514 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
515
516 \section{Application to Pseudorandomness}
517 \label{sec:pseudorandom}
518
519 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
520
521 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
522 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
523 leading thus to a new PRNG that 
524 should improve the statistical properties of each
525 generator taken alone. 
526 Furthermore, the generator obtained in this way possesses various chaos properties that none of the generators used as present input.
527
528
529
530 \begin{algorithm}[h!]
531 \begin{small}
532 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
533 ($n$ bits)}
534 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
535 $x\leftarrow x^0$\;
536 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
537 \For{$i=0,\dots,k$}
538 {
539 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
540 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
541 }
542 return $x$\;
543 \end{small}
544 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
545 \label{CI Algorithm}
546 \end{algorithm}
547
548
549
550
551 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
552 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
553 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
554 between two outputs is at least $b$
555 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
556 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
557 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
558  which must return integers
559 uniformly distributed
560 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
561 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
562 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
563 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
564 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
565 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
566 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
567 in our own generator to compute both the number of iterations between two
568 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
569
570 %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.
571
572
573 \begin{algorithm}[h!]
574 \begin{small}
575 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
576 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
577 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
578 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
579 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
580 $y\leftarrow{z}$\;
581 return $y$\;
582 \end{small}
583 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
584 \label{XORshift}
585 \end{algorithm}
586
587
588 \subsection{A ``New CI PRNG''}
589
590 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
591 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
592 In this ``New CI PRNG'', we prevent a given bit from changing twice between two outputs.
593 This new generator is designed by the following process. 
594
595 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
596 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
597 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
598 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
599 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
600 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
601 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
602 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
603 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
604 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
605
606 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
607 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
608 Such a procedure is equivalent to achieving chaotic iterations with
609 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
610 Finally, some $x^n$ are selected
611 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
612 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
613
614 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
615 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
616 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
617 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
618 goal (other candidates and more information can be found in ~\cite{bg10:ip}).
619
620 \begin{equation}
621 \label{Formula}
622 m^n = g(y^n)=
623 \left\{
624 \begin{array}{l}
625 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
626 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
627 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
628 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
629 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
630 \end{array}
631 \right.
632 \end{equation}
633
634 \begin{algorithm}
635 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
636 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
637 \begin{algorithmic}[1]
638 \FOR{$i=0,\dots,N$}
639 {
640 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
641 }
642 \ENDFOR
643 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
644 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
645 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
646
647 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
648 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
649     \IF{$d_S=0$}
650     {
651 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
652 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
653
654     }
655     \ELSIF{$d_S=1$}
656     {
657 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
658     }\ENDIF
659 \ENDWHILE\\
660 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
661 \STATE return $r$\;
662 \medskip
663 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
664 \label{Chaotic iteration1}
665 \end{algorithmic}
666 \end{algorithm}
667
668 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
669
670 Instead of updating only one cell at each iteration, we now propose to choose a
671 subset of components and to update them together, for speed improvement. Such a proposition leads 
672 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
673 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
674 this algorithm can be rewritten as follows:
675
676 \begin{equation}
677 \left\{
678 \begin{array}{l}
679 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
680 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
681 \end{array}
682 \right.
683 \label{equation Oplus}
684 \end{equation}
685 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
686 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
687 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
688 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
689 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
690 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
691 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
692
693 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
694 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
695 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
696
697 \begin{equation}
698 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
699 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
700 \begin{array}{ll}
701   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
702   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
703 \end{array}\right.
704 \label{eq:generalIC}
705 \end{equation}
706 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
707 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
708 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
709 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
710 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
711 we select a subset of components to change.
712
713
714 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
715 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
716 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
717 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
718 in what follows).
719 However, proofs
720 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
721 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
722 \ref{Def:chaotic iterations}. The question to determine whether the
723 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
724 faster, does not deflate their topological chaos properties, has been
725 investigated in Annex~\ref{A-deuxième def}, leading to the following result.
726
727  \begin{theorem}
728  \label{t:chaos des general}
729   The general chaotic iterations defined by
730  \begin{equation}
731    x_i^n=\left\{
732  \begin{array}{ll}
733    x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
734    \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
735  \end{array}\right.
736  \label{general CIs}
737  \end{equation}
738 satisfy
739  the Devaney's property of chaos.
740  \end{theorem}
741
742
743 %%RAF proof en supplementary, j'ai mis le theorem.
744 % A vérifier
745
746 % \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
747 %\label{deuxième def}
748 %The proof is given in Section~\ref{A-deuxième def} of the annex document.
749 %% \label{deuxième def}
750 %% Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
751 %% the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
752 %% \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
753
754 %% \begin{equation}
755 %%   x_i^n=\left\{
756 %% \begin{array}{ll}
757 %%   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
758 %%   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
759 %% \end{array}\right.
760 %% \label{general CIs}
761 %% \end{equation}
762
763 %% In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
764 %% contained into the set $S^{n}$ are iterated.
765
766 %% Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
767 %% system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
768 %% is required in order to study the topological behavior of the system.
769
770 %% Let us introduce the following function:
771 %% \begin{equation}
772 %% \begin{array}{cccc}
773 %%  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
774 %%          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
775 %% \end{array} 
776 %% \end{equation}
777 %% where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
778
779 %% Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
780 %% $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
781 %% \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
782 %% \begin{equation*}
783 %% \begin{array}{rll}
784 %%  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
785 %% \end{array}%
786 %% \end{equation*}%
787 %% where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
788 %% is the negation of the Boolean $x$.
789 %% Consider the phase space:
790 %% \begin{equation}
791 %% \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
792 %% \mathds{B}^\mathsf{N},
793 %% \end{equation}
794 %% \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
795 %% \begin{equation}
796 %% 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...
797 %% \end{equation}
798 %% \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
799 %% (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
800 %% \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
801 %% $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
802 %% Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
803 %% be described by the following discrete dynamical system:
804 %% \begin{equation}
805 %% \left\{
806 %% \begin{array}{l}
807 %% X^0 \in \mathcal{X} \\
808 %% X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
809 %% \end{array}%
810 %% \right.
811 %% \end{equation}%
812
813 %% Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
814 %% iterations. 
815
816 %% To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
817 %% $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
818 %% Let us introduce:
819 %% \begin{equation}
820 %% d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
821 %% \label{nouveau d}
822 %% \end{equation}
823 %% \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
824 %%  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
825 %% $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
826 %%  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
827 %% %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
828 %% %% \begin{equation}
829 %% %% \left\{
830 %% %% \begin{array}{lll}
831 %% %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
832 %% %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
833 %% %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
834 %% %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
835 %% %% \end{array}%
836 %% %% \right.
837 %% %% \end{equation}
838 %% where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
839 %% $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
840
841
842 %% \begin{proposition}
843 %% The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
844 %% \end{proposition}
845
846 %% \begin{proof}
847 %%  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
848 %% too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
849 %%  \begin{itemize}
850 %% \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
851 %% $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
852 %% $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
853 %%  \item $d_s$ is symmetric 
854 %% ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
855 %% of the symmetric difference. 
856 %% \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
857 %% and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
858 %% we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
859 %% inequality is obtained.
860 %%  \end{itemize}
861 %% \end{proof}
862
863
864 %% Before being able to study the topological behavior of the general 
865 %% chaotic iterations, we must first establish that:
866
867 %% \begin{proposition}
868 %%  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
869 %% $\left( \mathcal{X},d\right)$.
870 %% \end{proposition}
871
872
873 %% \begin{proof}
874 %% We use the sequential continuity.
875 %% Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
876 %% \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
877 %% G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
878 %% G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
879 %% thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
880 %% sequences).\newline
881 %% 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
882 %% to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
883 %% d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
884 %% In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
885 %% cell will change its state:
886 %% $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
887
888 %% In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
889 %% \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
890 %% n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
891 %% first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
892
893 %% Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
894 %% identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
895 %% Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
896 %% so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
897 %% \noindent We now prove that the distance between $\left(
898 %% G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
899 %% 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
900 %% \begin{itemize}
901 %% \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
902 %% between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
903 %% strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
904 %% \medskip
905 %% \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
906 %% \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
907 %% \begin{equation*}
908 %% \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
909 %% n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
910 %% \end{equation*}%
911 %% thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
912 %% \end{itemize}
913 %% \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
914 %% G_{f}(S^n,E^n)$ 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
915 %% the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
916 %% 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
917
918 %% In conclusion,
919 %% %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
920 %% %%TOF : ici j'ai rajouté un commentaire
921 %% %%TOF : ici aussi
922 %% $
923 %% \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
924 %% ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
925 %% $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
926 %% \leqslant \varepsilon .
927 %% $
928 %% $G_{f}$ is consequently continuous.
929 %% \end{proof}
930
931
932 %% It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
933 %% iterations. We will prove that,
934
935 %% \begin{theorem}
936 %% \label{t:chaos des general}
937 %%  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
938 %% the Devaney's property of chaos.
939 %% \end{theorem}
940
941 %% Let us firstly prove the following lemma.
942
943 %% \begin{lemma}[Strong transitivity]
944 %% \label{strongTrans}
945 %%  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
946 %% find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
947 %% \end{lemma}
948
949 %% \begin{proof}
950 %%  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
951 %% Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
952 %% are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
953 %% $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
954 %% We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
955 %% that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
956 %% the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
957 %% $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
958 %% \begin{itemize}
959 %%  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
960 %%  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
961 %% \end{itemize}
962 %% Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
963 %% where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
964 %% claimed in the lemma.
965 %% \end{proof}
966
967 %% We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
968
969 %% \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
970 %% Firstly, strong transitivity implies transitivity.
971
972 %% Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
973 %% prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
974 %% there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
975 %% $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
976 %% $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
977
978 %% Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
979 %% configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
980 %% $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
981 %% and $t_2\in\mathds{N}$ such
982 %% that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
983
984 %% Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
985 %% of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
986 %% %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
987 %% $$\tilde
988 %% S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
989 %% is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
990 %% $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
991 %% point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
992 %% have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
993 %% \end{proof}
994
995
996
997
998 %%RAF : mis en supplementary
999
1000
1001 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
1002 \label{The generation of pseudorandom sequence}
1003 The content is this section is given in Section~\ref{A-The generation of pseudorandom sequence} of the annex document.
1004
1005
1006 %% \label{The generation of pseudorandom sequence}
1007
1008
1009 %% Let us now explain why we have reasonable ground to believe that chaos 
1010 %% can improve statistical properties.
1011 %% We will show in this section that chaotic properties as defined in the
1012 %% mathematical theory of chaos are related to some statistical tests that can be found
1013 %% in the NIST battery. Furthermore, we will check that, when mixing defective PRNGs with
1014 %% chaotic iterations, the new generator presents better statistical properties
1015 %% (this section summarizes and extends the work of~\cite{bfg12a:ip}).
1016
1017
1018
1019 %% \subsection{Qualitative relations between topological properties and statistical tests}
1020
1021
1022 %% There are various relations between topological properties that describe an unpredictable behavior for a discrete 
1023 %% dynamical system on the one
1024 %% hand, and statistical tests to check the randomness of a numerical sequence
1025 %% on the other hand. These two mathematical disciplines follow a similar 
1026 %% objective in case of a recurrent sequence (to characterize an intrinsically complicated behavior for a
1027 %% recurrent sequence), with two different but complementary approaches.
1028 %% It is true that the following illustrative links give only qualitative arguments, 
1029 %% and proofs should be provided later to make such arguments irrefutable. However 
1030 %% they give a first understanding of the reason why we think that chaotic properties should tend
1031 %% to improve the statistical quality of PRNGs.
1032 %% %
1033 %% Let us now list some of these relations between topological properties defined in the mathematical
1034 %% theory of chaos and tests embedded into the NIST battery. %Such relations need to be further 
1035 %% %investigated, but they presently give a first illustration of a trend to search similar properties in the 
1036 %% %two following fields: mathematical chaos and statistics.
1037
1038
1039 %% \begin{itemize}
1040 %%     \item \textbf{Regularity}. As stated in Section~\ref{subsec:Devaney}, a chaotic dynamical system must 
1041 %% have an element of regularity. Depending on the chosen definition of chaos, this element can be the existence of
1042 %% a dense orbit, the density of periodic points, etc. The key idea is that a dynamical system with no periodicity
1043 %% is not as chaotic as a system having periodic orbits: in the first situation, we can predict something and gain a
1044 %% knowledge about the behavior of the system, that is, it never enters into a loop. A similar importance for periodicity is emphasized in
1045 %% the two following NIST tests~\cite{Nist10}:
1046 %%     \begin{itemize}
1047 %%         \item \textbf{Non-overlapping Template Matching Test}. Detect generators that produce too many occurrences of a given non-periodic (aperiodic) pattern.
1048 %%         \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.
1049 %%     \end{itemize}
1050
1051 %% \item \textbf{Transitivity}. This topological property previously introduced  states that the dynamical system is intrinsically complicated: it cannot be simplified into 
1052 %% 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. 
1053 %% This focus on the places visited by the orbits of the dynamical system takes various nonequivalent formulations in the mathematical theory
1054 %% of chaos, namely: transitivity, strong transitivity, total transitivity, topological mixing, and so on~\cite{bg10:ij}. A similar attention 
1055 %% is brought on the states visited during a random walk in the two tests below~\cite{Nist10}:
1056 %%     \begin{itemize}
1057 %%         \item \textbf{Random Excursions Variant Test}. Detect deviations from the expected number of visits to various states in the random walk.
1058 %%         \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.
1059 %%     \end{itemize}
1060
1061 %% \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
1062 %% to Li-Yorke~\cite{Li75,Ruette2001}. A similar property is regarded in the following NIST test~\cite{Nist10}.
1063 %%     \begin{itemize}
1064 %%         \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.
1065 %%     \end{itemize}
1066 %%     \item \textbf{Topological entropy}. The desire to formulate an equivalency of the thermodynamics entropy
1067 %% has emerged both in the topological and statistical fields. Once again, a similar objective has led to two different
1068 %% rewritting of an entropy based disorder: the famous Shannon definition of entropy is approximated in the statistical approach, 
1069 %% whereas topological entropy is defined as follows:
1070 %% $x,y \in \mathcal{X}$ 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
1071 %% leads to the definition of $s_n(\varepsilon,Y)$, being the maximal cardinality of all $(n,\varepsilon)-$separated sets. Using these notations, 
1072 %% the topological entropy is defined as follows: $$h_{top}(\mathcal{X},f)  = \displaystyle{\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \Big[ \limsup_{n \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \log s_n(\varepsilon,\mathcal{X})\Big]}.$$
1073 %% This value measures the average exponential growth of the number of distinguishable orbit segments. 
1074 %% In this sense, it measures the complexity of the topological dynamical system, whereas 
1075 %% the Shannon approach comes to mind when defining the following test~\cite{Nist10}:
1076 %%     \begin{itemize}
1077 %% \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.
1078 %%     \end{itemize}
1079
1080 %%     \item \textbf{Non-linearity, complexity}. Finally, let us remark that non-linearity and complexity are 
1081 %% not only sought in general to obtain chaos, but they are also required for randomness, as illustrated by the two tests below~\cite{Nist10}.
1082 %%     \begin{itemize}
1083 %% \item \textbf{Binary Matrix Rank Test}. Check for linear dependence among fixed length substrings of the original sequence.
1084 %% \item \textbf{Linear Complexity Test}. Determine whether or not the sequence is complex enough to be considered random.
1085 %%       \end{itemize}
1086 %% \end{itemize}
1087
1088
1089 %% We have proven in our previous works~\cite{guyeux12:bc} that chaotic iterations satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques} are, among other
1090 %% things, strongly transitive, topologically mixing, chaotic as defined by Li and Yorke,
1091 %% and that they have a topological entropy and an exponent of Lyapunov both equal to $ln(\mathsf{N})$,
1092 %% where $\mathsf{N}$ is the size of the iterated vector.
1093 %% These topological properties make that we are ground to believe that a generator based on chaotic
1094 %% iterations will probably be able to pass all the existing statistical batteries for pseudorandomness like
1095 %% the NIST one. The following subsections, in which we prove that defective generators have their
1096 %% statistical properties improved by chaotic iterations, show that such an assumption is true.
1097
1098 %% \subsection{Details of some Existing Generators}
1099
1100 %% The list of defective PRNGs we will use 
1101 %% as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
1102
1103 %% Firstly, the simple linear congruency generators (LCGs) will be used. 
1104 %% They are defined by the following recurrence:
1105 %% \begin{equation}
1106 %% x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m,
1107 %% \label{LCG}
1108 %% \end{equation}
1109 %% where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and inferior to 
1110 %% $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer to two (resp. three) 
1111 %% combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
1112
1113 %% Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) which will be used,
1114 %% are based on a linear recurrence of order 
1115 %% $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
1116 %% \begin{equation}
1117 %% x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m .
1118 %% \label{MRG}
1119 %% \end{equation}
1120 %% The combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experiments.
1121
1122 %% Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
1123 %% This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
1124 %% \begin{equation}
1125 %% \label{AWC}
1126 %% \begin{array}{l}
1127 %% x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
1128 %% c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
1129 %% the SWB generator, having the recurrence:
1130 %% \begin{equation}
1131 %% \label{SWB}
1132 %% \begin{array}{l}
1133 %% x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
1134 %% c^n=\left\{
1135 %% \begin{array}{l}
1136 %% 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
1137 %% 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1138 %% and the SWC generator, which is based on the following recurrence:
1139 %% \begin{equation}
1140 %% \label{SWC}
1141 %% \begin{array}{l}
1142 %% x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1143 %% c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1144
1145 %% Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1146 %% \begin{equation}
1147 %% x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k} .
1148 %% \label{GFSR}
1149 %% \end{equation}
1150
1151
1152 %% Finally, the nonlinear inversive (INV) generator~\cite{LEcuyerS07} has been studied, which is:
1153
1154 %% \begin{equation}
1155 %% \label{INV}
1156 %% \begin{array}{l}
1157 %% x^n=\left\{
1158 %% \begin{array}{ll}
1159 %% (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1160 %% a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1161
1162
1163
1164 %% \begin{table}
1165 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1166 %% \caption{TestU01 Statistical Test Failures}
1167 %% \label{TestU011}
1168 %% \centering
1169 %%   \begin{tabular}{lccccc}
1170 %%     \toprule
1171 %% Test name &Tests& Logistic           & XORshift      & ISAAC\\
1172 %% Rabbit                               &       38      &21             &14     &0       \\
1173 %% Alphabit                     &       17      &16             &9      &0       \\
1174 %% Pseudo DieHARD                       &126    &0              &2      &0      \\
1175 %% FIPS\_140\_2                         &16     &0              &0      &0      \\
1176 %% SmallCrush                   &15     &4              &5      &0       \\
1177 %% Crush                                &144    &95             &57     &0       \\
1178 %% Big Crush                    &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1179 %% Failures             &       &261            &146    &0       \\
1180 %% \bottomrule
1181 %%   \end{tabular}
1182 %% \end{table}
1183
1184
1185
1186 %% \begin{table}
1187 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1188 %% \caption{TestU01 Statistical Test Failures for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1189 %% \label{TestU01 for Old CI}
1190 %% \centering
1191 %%   \begin{tabular}{lcccc}
1192 %%     \toprule
1193 %% \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1194 %% &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1195 %% &+& +& + & + \\ 
1196 %% &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1197 %% Rabbit                                       &7      &2      &0      &0       \\
1198 %% Alphabit                             & 3     &0      &0      &0       \\
1199 %% DieHARD                      &0      &0      &0      &0      \\
1200 %% FIPS\_140\_2                         &0      &0      &0      &0      \\
1201 %% SmallCrush                           &2      &0      &0      &0       \\
1202 %% Crush                                        &47     &4      &0      &0       \\
1203 %% Big Crush                            &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1204 %% Failures                             &138    &9      &0      &0       \\
1205 %% \bottomrule
1206 %%   \end{tabular}
1207 %% \end{table}
1208
1209
1210
1211
1212
1213 %% \subsection{Statistical tests}
1214 %% \label{Security analysis}
1215
1216 %% Three batteries of tests are reputed and regularly used
1217 %% to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1218 %% number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1219 %% the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1220 %% TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1221
1222
1223
1224 %% \label{Results and discussion}
1225 %% \begin{table*}
1226 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1227 %% \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1228 %% \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1229 %% \centering
1230 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1231 %%     \hline\hline
1232 %% Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1233 %% \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1234 %% NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1235 %% DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1236 %% \end{tabular}
1237 %% \end{table*}
1238
1239 %% Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1240 %% results on the two first batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1241 %% in the previous section
1242 %% cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1243 %% fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1244 %% iterations can solve this issue.
1245 %% %More precisely, to
1246 %% %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1247 %% %\begin{enumerate}
1248 %% %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1249 %% %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1250 %% %  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1251 %% %\begin{equation}
1252 %% %\begin{array}{l}
1253 %% %\left\{
1254 %% %\begin{array}{l}
1255 %% %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1256 %% %\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}
1257 %% %\end{equation}
1258 %% %$m$ is called the \emph{functional power}.
1259 %% %\end{enumerate}
1260 %% %
1261 %% The obtained results are reproduced in Table
1262 %% \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1263 %% The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1264 %% asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1265 %% The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and the ``New CI'' generators.
1266 %% Concerning the ``Xor CI PRNG'', the score is less spectacular. Because of a large speed improvement, the statistics
1267 %%  are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1268 %% However 8 tests have been improved (with no deflation for the other results).
1269
1270
1271 %% \begin{table*}
1272 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1273 %% \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1274 %% \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1275 %% \centering
1276 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1277 %%     \hline
1278 %% Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1279 %% \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1280 %% Old CIPRNG\\ \hline \hline
1281 %% 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
1282 %% 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
1283 %% New CIPRNG\\ \hline \hline
1284 %% 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
1285 %% 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
1286 %% Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1287 %% 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
1288 %% 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
1289 %% \end{tabular}
1290 %% \end{table*}
1291
1292
1293 %% We have then investigated in~\cite{bfg12a:ip} if it were possible to improve
1294 %% the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1295 %% $\oplus$ operation. Results are summarized in Table~\ref{threshold}, illustrating
1296 %% the progressive increasing effects of chaotic iterations, when giving time to chaos to get settled in.
1297 %% Thus rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1298 %% using chaotic iterations on defective generators.
1299
1300 %% \begin{table*}
1301 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1302 %% \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1303 %% \label{threshold}
1304 %% \centering
1305 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1306 %%     \hline
1307 %% Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1308 %% Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1309 %% \end{tabular}
1310 %% \end{table*}
1311
1312 %% Finally, the TestU01 battery has been launched on three well-known generators 
1313 %% (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1314 %% see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1315 %% Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1316 %% Old CI PRNG that has received these generators.
1317 %% The obvious improvement speaks for itself, and together with the other
1318 %% results recalled in this section, it reinforces the opinion that a strong
1319 %% correlation between topological properties and statistical behavior exists.
1320
1321
1322 %% The next subsection will now give a concrete original implementation of the Xor CI PRNG, the
1323 %% fastest generator in the chaotic iteration based family. In the remainder,
1324 %% this generator will be simply referred to as CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1325 %% raise ambiguity.
1326
1327
1328 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1329 \label{sec:efficient PRNG}
1330 %
1331 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1332 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1333 %The first idea is to consider
1334 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1335 %given PRNG.
1336 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1337 %the last computed state and the current strategy.
1338 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1339 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1340 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1341 %
1342 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1343 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1344 %% are
1345 %% done.  
1346 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1347 %% binary vectors.
1348 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1349
1350 %% \begin{table}
1351 %% \begin{scriptsize}
1352 %% $$
1353 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1354 %% \hline
1355 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1356 %% \hline
1357 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1358 %% \hline
1359 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1360 %% \hline
1361
1362 %% \hline
1363 %%  \end{array}
1364 %% $$
1365 %% \end{scriptsize}
1366 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1367 %% \label{TableExemple}
1368 %% \end{table}
1369
1370
1371
1372
1373 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
1374 \begin{small}
1375 \begin{lstlisting}
1376
1377 unsigned int CIPRNG() {
1378   static unsigned int x = 123123123;
1379   unsigned long t1 = xorshift();
1380   unsigned long t2 = xor128();
1381   unsigned long t3 = xorwow();
1382   x = x^(unsigned int)t1;
1383   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1384   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1385   x = x^(unsigned int)t2;
1386   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1387   x = x^(unsigned int)t3;
1388   return x;
1389 }
1390 \end{lstlisting}
1391 \end{small}
1392
1393
1394
1395 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1396 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1397 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1398 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1399 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1400 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1401 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1402 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1403   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1404
1405 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1406 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1407 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
1408 At this point, we thus
1409 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
1410 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
1411 this fast generator cannot be proven as secure.
1412
1413
1414
1415 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1416 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1417
1418 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1419 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1420 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1421 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1422 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1423 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1424 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1425 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1426 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1427 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1428 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1429 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1430 called {\it kernels}.
1431
1432
1433 \subsection{Naive Version for GPU}
1434
1435  
1436 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1437 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1438 Of course,  the  three xor-like
1439 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1440 In a given thread, these parameters are
1441 randomly picked from another PRNGs. 
1442 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1443 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1444 parameters embedded into each thread.   
1445
1446 The implementation of  the three
1447 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1448 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1449 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1450 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1451 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1452
1453
1454 \begin{algorithm}
1455 \begin{small}
1456 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1457 PRNGs in global memory\;
1458 NumThreads: number of threads\;}
1459 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1460 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1461   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1462   \For{i=1 to n} {
1463     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1464     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1465   }
1466   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1467 }
1468 \end{small}
1469 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1470 \label{algo:gpu_kernel}
1471 \end{algorithm}
1472
1473
1474
1475 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1476 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1477 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1478 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1479 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1480 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1481 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1482 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1483 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1484 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1485
1486 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1487 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1488 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1489
1490 \begin{remark}
1491 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1492 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1493 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1494 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1495 for all the different nodes involved in the computation.
1496 \end{remark}
1497
1498 \subsection{Improved Version for GPU}
1499
1500 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1501 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1502 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1503 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1504 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1505 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1506 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1507 performed. 
1508
1509 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1510 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1511 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1512 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1513 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1514 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1515 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1516 bits).
1517
1518 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1519
1520 \begin{algorithm}
1521 \begin{small}
1522 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1523 in global memory\;
1524 NumThreads: Number of threads\;
1525 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1526
1527 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1528 \If{threadId is concerned} {
1529   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1530   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1531   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1532   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1533   \For{i=1 to n} {
1534     t=xor-like()\;
1535     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1536     shared\_mem[threadId]=t\;
1537     x = x\textasciicircum t\;
1538
1539     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1540   }
1541   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1542 }
1543 \end{small}
1544 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1545 version\label{IR}}
1546 \label{algo:gpu_kernel2} 
1547 \end{algorithm}
1548
1549 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
1550
1551 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1552 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1553 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1554 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1555 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1556 and two values previously obtained by two other threads).
1557 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1558 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1559 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1560 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1561 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1562 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1563 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1564
1565 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1566 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1567 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1568 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1569 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1570 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1571 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1572
1573 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1574 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1575 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1576
1577 \section{Experiments}
1578 \label{sec:experiments}
1579
1580 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1581 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1582 and an
1583 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1584 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1585 All the
1586 cards have 240 cores.
1587
1588 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1589 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1590 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1591 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1592 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1593 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1594 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1595 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1596 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1597 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1598 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1599 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1600 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1601 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1602 should be of better quality.
1603 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1604 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1605
1606 \begin{figure}[htbp]
1607 \begin{center}
1608   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1609 \end{center}
1610 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1611 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1612 \end{figure}
1613
1614
1615
1616
1617
1618 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1619 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1620 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1621 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1622 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1623 reduction.
1624
1625 \begin{figure}[htbp]
1626 \begin{center}
1627   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1628 \end{center}
1629 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1630 \label{fig:time_bbs_gpu}
1631 \end{figure}
1632
1633 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1634 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1635 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1636 explained by the fact that the former  version has ``only''
1637 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1638 as it is shown in the next sections.
1639
1640
1641
1642
1643
1644
1645
1646 \section{Security Analysis}
1647
1648
1649 This section is dedicated to the security analysis of the
1650   proposed PRNGs, both from a theoretical and from a practical point of view.
1651
1652 \subsection{Theoretical Proof of Security}
1653 \label{sec:security analysis}
1654
1655 The standard definition
1656   of {\it indistinguishability} used is the classical one as defined for
1657   instance in~\cite[chapter~3]{Goldreich}. 
1658   This property shows that predicting the future results of the PRNG
1659   cannot be done in a reasonable time compared to the generation time. It is important to emphasize that this
1660   is a relative notion between breaking time and the sizes of the
1661   keys/seeds. Of course, if small keys or seeds are chosen, the system can
1662   be broken in practice. But it also means that if the keys/seeds are large
1663   enough, the system is secured.
1664 As a complement, an example of a concrete practical evaluation of security
1665 is outlined in the next subsection.
1666
1667 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1668 denoted by $uv$.
1669 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1670 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1671 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1672 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1673 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1674
1675 \begin{definition}
1676 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1677 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1678 large $m$'s,
1679 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1680 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1681 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1682 internal coin tosses of $D$. 
1683 \end{definition}
1684
1685 Intuitively,  it means  that  there is  no  polynomial time  algorithm that  can
1686 distinguish a  perfect uniform random generator  from $G$ with  a non negligible
1687 probability.   An equivalent  formulation of  this well-known  security property
1688 means that  it is  possible \emph{in practice}  to predict  the next bit  of the
1689 generator, knowing all  the previously produced ones.  The  interested reader is
1690 referred to~\cite[chapter~3]{Goldreich}  for more  information. Note that  it is
1691 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial function
1692 $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1693
1694 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1695 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1696 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1697 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1698 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1699 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1700 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1701 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1702 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1703 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1704 We claim now that if this PRNG is secure,
1705 then the new one is secure too.
1706
1707 \begin{proposition}
1708 \label{cryptopreuve}
1709 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1710 PRNG too.
1711 \end{proposition}
1712
1713 \begin{proof}
1714 The proposition is proven by contraposition. Assume that $X$ is not
1715 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1716 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1717 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1718 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1719 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1720 $kN$:
1721 \begin{enumerate}
1722 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1723 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1724 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1725   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1726 \item Return $D(z)$.
1727 \end{enumerate}
1728
1729
1730 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1731 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1732 (each $w_i$ has length $N$) to 
1733 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1734   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1735 \begin{equation}\label{PCH-1}
1736 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1737 \end{equation}
1738 where $y$ is randomly generated. 
1739 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1740 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1741 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1742 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1743 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1744 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1745 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1746 one has
1747 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1748 therefore, 
1749 \begin{equation}\label{PCH-2}
1750 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1751 \end{equation}
1752
1753 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1754 \begin{equation}\label{PCH-3}
1755 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1756 \end{equation}
1757 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1758 thus
1759 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1760 D^\prime(H(x))=D(yx),
1761 \end{equation}
1762 where $y$ is randomly generated. 
1763 It follows that 
1764
1765 \begin{equation}\label{PCH-4}
1766 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1767 \end{equation}
1768  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1769 there exists a polynomial time probabilistic
1770 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1771 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1772 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1773 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1774 \end{proof}
1775
1776
1777
1778 \subsection{Practical Security Evaluation}
1779 \label{sec:Practicak evaluation}
1780 This subsection is given in Section~\ref{A-sec:Practicak evaluation} of the annex document.
1781 %%RAF mis en annexe
1782
1783
1784 %% Pseudorandom generators based on Eq.~\eqref{equation Oplus} are thus cryptographically secure when
1785 %% they are XORed with an already cryptographically
1786 %% secure PRNG. But, as stated previously,
1787 %% such a property does not mean that, whatever the
1788 %% key size, no attacker can predict the next bit
1789 %% knowing all the previously released ones.
1790 %% However, given a key size, it is possible to 
1791 %% measure in practice the minimum duration needed
1792 %% for an attacker to break a cryptographically
1793 %% secure PRNG, if we know the power of his/her
1794 %% machines. Such a concrete security evaluation 
1795 %% is related to the $(T,\varepsilon)-$security
1796 %% notion, which is recalled and evaluated in what 
1797 %% follows, for the sake of completeness.
1798
1799 %% Let us firstly recall that,
1800 %% \begin{definition}
1801 %% Let $\mathcal{D} : \mathds{B}^M \longrightarrow \mathds{B}$ be a probabilistic algorithm that runs
1802 %% in time $T$. 
1803 %% Let $\varepsilon > 0$. 
1804 %% $\mathcal{D}$ is called a $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on pseudorandom
1805 %% generator $G$ if
1806
1807 %% \begin{flushleft}
1808 %% $\left| Pr[\mathcal{D}(G(k)) = 1 \mid k \in_R \{0,1\}^\ell ]\right.$
1809 %% \end{flushleft}
1810
1811 %% \begin{flushright}
1812 %% $ - \left. Pr[\mathcal{D}(s) = 1 \mid s \in_R \mathds{B}^M ]\right| \geqslant \varepsilon,$
1813 %% \end{flushright}
1814
1815 %% \noindent where the probability is taken over the internal coin flips of $\mathcal{D}$, and the notation
1816 %% ``$\in_R$'' indicates the process of selecting an element at random and uniformly over the
1817 %% corresponding set.
1818 %% \end{definition}
1819
1820 %% Let us recall that the running time of a probabilistic algorithm is defined to be the
1821 %% maximum of the expected number of steps needed to produce an output, maximized
1822 %% over all inputs; the expected number is averaged over all coin flips made by the algorithm~\cite{Knuth97}.
1823 %% We are now able to define the notion of cryptographically secure PRNGs:
1824
1825 %% \begin{definition}
1826 %% A pseudorandom generator is $(T,\varepsilon)-$secure if there exists no $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on this pseudorandom generator.
1827 %% \end{definition}
1828
1829
1830
1831
1832
1833
1834
1835 %% Suppose now that the PRNG of Eq.~\eqref{equation Oplus} will work during 
1836 %% $M=100$ time units, and that during this period,
1837 %% an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1838 %% We thus wonder whether, during the PRNG's 
1839 %% lifetime, the attacker can distinguish this 
1840 %% sequence from a truly random one, with a probability
1841 %% greater than $\varepsilon = 0.2$.
1842 %% We consider that $N$ has 900 bits.
1843
1844 %% Predicting the next generated bit knowing all the
1845 %% previously released ones by Eq.~\eqref{equation Oplus} is obviously equivalent to predicting the
1846 %% next bit in the BBS generator, which
1847 %% is cryptographically secure. More precisely, it
1848 %% is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1849 %% $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1850 %% successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1851 %% \begin{equation}
1852 %% 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)
1853 %% \label{mesureConcrete}
1854 %% \end{equation}
1855 %% where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1856 %% our example), and $L(N)$ is equal to
1857 %% $$
1858 %% 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln~ 2)^\frac{1}{3} \times (ln(N~ln~  2))^\frac{2}{3}\right)
1859 %% $$
1860 %% is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1861 %% integer.
1862
1863
1864
1865
1866 %% A direct numerical application shows that this attacker 
1867 %% cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1868 %% attack in that context.
1869
1870
1871
1872 \section{Cryptographical Applications}
1873
1874 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1875 \label{sec:CSGPU}
1876
1877 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1878 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1879 it simply consists  in replacing
1880 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1881 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1882 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1883 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1884 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1885
1886   
1887 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1888 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1889 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1890 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1891 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1892 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1893 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1894 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1895 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1896 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1897 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1898 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1899   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1900 the followings  modifications. 
1901 \begin{itemize}
1902 \item
1903 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1904 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1905 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1906 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1907 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1908 %This approach  adds more randomness.   
1909 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1910 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1911 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1912 \item
1913 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1914 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1915 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1916 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1917 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1918 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1919 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1920 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1921 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1922 and add 3 new bits.
1923 \item
1924 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1925 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1926 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1927 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1928 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1929 \end{itemize}
1930
1931 \begin{algorithm}
1932 \begin{small}
1933 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1934 in global memory\;
1935 NumThreads: Number of threads\;
1936 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1937 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1938 }
1939
1940 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1941 \If{threadId is concerned} {
1942   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1943   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1944   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1945   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1946   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1947   \For{i=1 to n} {
1948     t$<<$=4\;
1949     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1950     ...\;
1951     t$<<$=4\;
1952     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1953     \tcp{two new shifts}
1954     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1955     t$<<$=shift\;
1956     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1957     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1958     t$<<$=shift\;
1959     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1960     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1961     shared\_mem[threadId]=t\;
1962     x = x\textasciicircum   t\;
1963
1964     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1965   }
1966   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1967 }
1968 \end{small}
1969 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1970 \label{algo:bbs_gpu}
1971 \end{algorithm}
1972
1973 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1974 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1975 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1976 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1977 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1978 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1979 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1980 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1981 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1982 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1983   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1984 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1985 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1986 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1987 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1988 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1989 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1990
1991 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1992 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1993 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1994 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1995 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is 
1996 cryptographically secure.
1997
1998 As stated before, even if the proposed PRNG is cryptocaphically
1999 secure, it does not mean that such a generator
2000 can be used as described here when attacks are
2001 awaited. The problem is to determine the minimum 
2002 time required for an attacker, with a given 
2003 computational power, to predict under a probability
2004 lower than 0.5 the $n+1$th bit, knowing the $n$
2005 previous ones. The proposed GPU generator will be
2006 useful in a security context, at least in some 
2007 situations where a secret protected by a pseudorandom
2008 keystream is rapidly obsolete, if this time to 
2009 predict the next bit is large enough when compared
2010 to both the generation and transmission times.
2011 It is true that the prime numbers used in the last
2012 section are very small compared to up-to-date 
2013 security recommendations. However the attacker has not
2014 access to each BBS, but to the output produced 
2015 by Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, which is far
2016 more complicated than a simple BBS. Indeed, to
2017 determine if this cryptographically secure PRNG
2018 on GPU can be useful in security context with the 
2019 proposed parameters, or if it is only a very fast
2020 and statistically perfect generator on GPU, its
2021 $(T,\varepsilon)-$security must be determined, and
2022 a formulation similar to Eq.\eqref{mesureConcrete}
2023 must be established. Authors
2024 hope to achieve this difficult task in a future
2025 work.
2026
2027
2028 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
2029 \label{Blum-Goldwasser}
2030 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
2031 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
2032 This first approach will be further investigated in a future work.
2033
2034 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
2035
2036 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
2037 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
2038 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
2039 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
2040 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
2041  reconstruction of the keystream.
2042
2043 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
2044 randomly and independently of each other, that are
2045  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
2046 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
2047
2048
2049 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
2050 \begin{enumerate}
2051 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
2052 \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 $L-1$,
2053 \begin{itemize}
2054 \item $i=0$.
2055 \item While $i \leqslant L-1$:
2056 \begin{itemize}
2057 \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 $x_i$,
2058 \item $i=i+1$,
2059 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
2060 \end{itemize}
2061 \end{itemize}
2062 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
2063 \end{enumerate}
2064
2065
2066 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
2067 \begin{enumerate}
2068 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
2069 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
2070 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
2071 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
2072 \end{enumerate}
2073
2074
2075 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
2076
2077 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
2078 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
2079 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
2080 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
2081 her new public key will be $(S^0, N)$.
2082
2083 To encrypt his message, Bob will compute
2084 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
2085 %\begin{equation}
2086 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
2087 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
2088 %%\end{equation}
2089 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
2090
2091 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
2092 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
2093 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
2094 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
2095 the inheritance of all the properties presented in this paper.
2096
2097 \section{Conclusion}
2098
2099
2100 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
2101 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
2102 chaotic according to Devaney.
2103 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
2104 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
2105 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
2106 namely the BigCrush.
2107 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
2108 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
2109 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
2110 An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
2111 behave chaotically, has finally been proposed. 
2112
2113 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
2114 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
2115 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
2116 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
2117 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
2118 in a simulation context or in a cryptographic one.
2119
2120
2121
2122 \bibliographystyle{plain} 
2123 \bibliography{mabase}
2124 \end{document}