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

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