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

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