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[prng_gpu.git] / reponse.tex
1 \documentclass{article}
2 \usepackage{color}
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4 \begin{document}
5 \section{Editor}
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7 \bigskip
8 \textit{As the reviewers point out, the paper is well written, is interesting, but there are some major concerns about both the practical aspects of the paper, as well as more theoretical aspects.  While the paper has only been reviewed by two reviewers, their concerns are enough to recommend that the author consider them carefully and then resubmit this paper as a new paper.}
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10 \bigskip
11 \textit{Most of the issues raised are related to cryptography, and not to the acceleration work on a GPU.  The issue may be that during their preparation of this paper the authors were too focused on the acceleration work, and did not spend enough time being precise about the cryptography discussion.  The two reviewers are experts on cryptography, as well as acceleration techniques, and the review indicate that the analysis needs to be strengthened.}
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15 \section{Reviewer: 1}
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19 \textit{The authors should include a summary of  test measurements showing their method passes the test sets mentioned (NIST, Diehard, TestU01) instead of the one sentence saying it passed that is in section 1.}
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21 In section 1, we have added a small summary of test measurements performed with BigCrush of TestU01.
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26 \bigskip
27 \textit{Section 9:
28 The authors say they replace the xor-like PRNG with a cryptographically secure one, BBS, but then proceed to use extremely small values, as far as a cryptographer is concerned (modulus of $2^{16}$), in the computation  due  to the need to use 32 bit integers in the GPU and combine bits from multiple BBS generated values, but they never prove (or even discuss) how this  can be considered cryptographically secure due to the small  individual values. At the end of 9.1, the authors say $S^n$ is secure because it is formed from bits from the BBS generator, but do not consider if the use of such small values will lead to exhaust searches to determine individual bits. The authors either need to remove all of section 9 and or prove the resulting PRNG is cryptographically secure.}
29
30 A new section (namely, Section 8.2) and a discussion at the end of Section 9.1 have been added to measure practically the security of the generator.
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32 \bigskip
33 \textit{In the conclusion:
34 Reword last sentence of 1st paragraph
35 In the 2nd paragraph, change "these researches" to "this research" in  "we plan to extend ..."}
36
37 Done.
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40 \section{Reviewer: 2}
41
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43 \bigskip
44 \textit{The paper is, overall, well written and clear, with appropriate references to the relevant concepts and prior work. The motivation of the work, however, is not quite clear: the authors present (provable) chaotic properties of a PRNG as a security improvement, but provide no convincing argument beyond opinion (or hope).}
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47 \bigskip
48 \textit{There seems to have been no effort in showing how the new PRNG improves on a single (say) xorshift generator, considering the slowdown of calling 3 of them per iteration (cf. Listing 1). This could be done, if not with the mathematical rigor of chaos theory, then with simpler bit diffusion metrics, often used in cryptography to evaluate building blocks of ciphers.}
49
50 A large section (Section 5) has been added, using and extending some previous works. It explains with more details why topological chaos 
51 is useful to pass statistical tests. This new section contains both qualitative explanations and quantitative (experimental) evaluations.
52  Using several examples, this section illustrates  that defective PRNGs are always improved, according
53 to the NIST, DieHARD, and TestU01 batteries.
54
55 \bigskip
56 \textit{The generator of Listing 1, despite being proved chaotic, has several problems. First, it doesn't seem to be new; using xor to mix the states of several independent generators is standard procedure (e.g., [1]).}
57
58 The novelty of the  approach is not in the discovery of  a new kind of operator,
59 but  consists in  the combination  of existing  PRNGs. We  propose to  realize a
60 post-treatment based on chaotic iterations  on these generators, in order to add
61 topological  properties that  improve  their statistics  while preserving  their
62 cryptographical security. In  this document, generators that use  XOR or BBS are
63 only illustrative examples using the vectorial negation as iterative function in
64 the chaotic  iterations. Theorems 1 and  2 explain how to  replace this negation
65 function,  that  leads  to  well  known  forms of  generators,  by  more  exotic
66 ones. However, the  choice of the vectorial negation  to illustration our work has been
67 motivated by speed.
68
69 Indeed,  to the  best  of our  knowledge,  all the  generators  proposed in  the
70 literature mix only  a few operations on previously  obtained states: arithmetic
71 operations, exponentiation,  shift, exclusive or.  It is impossible to  define a
72 fast PRNG or  to prove its security when using  more complicated operations, and
73 the  number of  such operations  that are  mixed is  necessarily very  low. Thus
74 almost all up-to-date fast or secure generators are very simple, like the BBS or
75 all the  XORshift-like ones. To a certain  extend, they are all  similar, due to
76 the very  reduced number  of efficient elementary  operations offered  to define
77 them.
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80 \bigskip
81 \textit{Secondly, the periods of the 3 xorshift generators are not coprime --- this reduces the useful period of combining the sequences.}
82
83 We agree with the reviewer in the fact that using coprimes here will improve
84 the period of the resulted PRNG. Nevertheless the goal of this section was to
85 pass the Big Crush battery, and we achieved that with the proposed combination of
86 the three XORshifts. 
87
88 \bigskip
89 \textit{Thirdly, by combining 3 linear generators with xor, another linear operation, you still get a linear generator, potentially vulnerable to stringent high-dimensional spectral tests.}
90
91 This first generator has not been  designed for security reasons, but for speed:
92 the idea  was to provide a very  efficient version of our  former generator that
93 can  pass  TestU01,  and linear  operations  are  a  necessity when  speed  with
94 pseudorandomness  is  desired.  If  what  is   needed  is  to  use  a  fast  and
95 statistically perfect PRNG, then simulations proposed in this document show that
96 this first  PRNG is suitable. However,  we have neither claimed  nor proved that
97 this generator is secure. Indeed, we have only shown that some chaotic iteration
98 based  post-treatment,  like the  one  that  uses  the vectorial  negation,  can
99 preserve  the cryptographically secure  property (while  adding chaos),  if this
100 property  has been  established  for  the inputted  generator.  As the  inputted
101 generator  is  not cryptographically  secure  in  the  example disputed  by  the
102 reviewer, we  cannot apply this  result. Indeed the  first part of  the document
103 does  not  deal  with  security,  but  it investigates  the  speed,  chaos,  and
104 statistical quality of  PRNGs.  A sentence has been added  to clarify this point
105 at the end of Section 5.4.
106
107
108 \bigskip
109 \textit{The BBS-based generator of section 9 is anything but cryptographically secure. A 16-bit modulus (trivially factorable) gives out a period of at most $2^{16}$, which is neither useful nor secure. Its speed is irrelevant, as this generator as no practical applications whatsoever (a larger modulus, at least 1024-bit long, might be useful in some situations, but it will be a terrible GPU performer, of course).}
110
111
112 This claim is surprising, as this result is mathematically proven in the article: 
113 either there is something wrong in the proof, or the generator is cryptographically
114 secure. Indeed, there is probably a misunderstanding of this notion, which does
115 not deal with the practical aspects of security. For instance, BBS is 
116 cryptographically secure, but whatever the size of the keys, a brute force attack always
117 achieve to break it. It is only a question of time: with sufficiently large primes,
118 the time required to break it is astronomically large, making this attack completely
119 impracticable: being cryptographically secure is not a
120 question of key size.
121
122
123 Most theoretical cryptographic definitions are somehow an extension of the
124 notion of one-way function. Intuitively a one way function is a function
125  easy to compute but  which is practically impossible to
126 inverse (i.e. from $f(x)$ it is not possible to compute $x$). 
127 Since the size of $x$ is known, it is always possible to use a brute force
128 attack, that is computing $f(y)$ for all $y$'s of the good size until
129 $f(y)\neq f(x)$. Informally, if a function is one-way, it means that every
130 algorithm that can compute $x$ from $f(x)$ with a good probability requires
131 a similar amount of time to the brute force attack. It is important to
132 note that if the size of $x$ is small, then the brute force attack works in
133 practice. The theoretical security properties do not guarantee that the system
134 cannot be broken, it guarantees  that if the keys are large enough, then the
135 system still works (computing $f(x)$ can be done, even if $x$ is large), and
136 cannot be broken in a reasonable time. The theoretical definition of a
137 secure PRNG is more technical than the one on one-way function but the
138 ideas are the same: a cryptographically secured PRNG can be broken 
139  by a brute force prediction, but not in a reasonable time if the
140  keys/seeds are large enough.
141
142
143 Nevertheless, new arguments have been added in several places of the revision of
144 our paper, concerning more concrete  and practical aspects of security, like the
145 $(T,\varepsilon)-$security notion  of Section  8.2. Such a  practical evaluation
146 has not yet been performed for the  GPU version of our PRNG, and the reviewer is
147 right  to think  that these  aspects are  fundamental to  determine  whether the
148 proposed PRNG can or cannot face the attacks. A similar formula to what has been
149 computed  for the  BBS (as  in Section  8.2) must  be found  in future  work, to
150 measure the amount of time need by an attacker to break the proposed generator when
151 considering  the parameters  we have  chosen  (this computation  is a  difficult
152 task).  Sentences have been added in  several places (like at the end of Section
153 9.1) summarizing this.
154
155 \bigskip
156 \textit{To sum it up, while the theoretical part of the paper is interesting, the practical results leave much to be desired, and do not back the thesis that chaos improves some quality metric of the generators.} 
157
158
159 We hope now that, with the new sections added to the document (like Section 5), we have convinced the reviewers that adding chaotic properties in 
160 existing generators can be of interest.
161
162 \bigskip
163 \textit{On the theoretical side, you may be interested in Vladimir Anashin's work on ergodic theory on p-adic (specifically, 2-adic) numbers to prove uniform distribution and maximal period of generators. The $d_s(S, \check{S})$ distance loosely resembles the p-adic norm.}
164
165 Thank you for this information. However, we have already established the uniform distribution in \cite{bcgr11:ip} (recalled in Theorem 2).
166
167 \bigskip
168 \textit{Typos and other nitpicks:\\
169  - Blub Blum Shub is misspelled in a few places as "Blum Blum Shum";}
170  
171 These mistakes have been corrected (sorry for that).
172  
173 \bigskip
174 \textit{ - Page 12, right column, line 54: In "$t<<=4$", the $<<$ operation is using the `` character instead.}
175
176 \bigskip
177 \textit{ [1] Howes, L., and Thomas, D. "Efficient random number generation and application using CUDA." In GPU Gems 3, H. Nguyen, Ed. NVIDIA, 2007, Ch. 37. }
178
179
180 \bibliographystyle{plain} 
181 \bibliography{mabase}
182
183 \end{document}