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

Private GIT Repository
bf745396e5de1554ae158241292cc6c1b56293eb
[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 \usepackage{color}
31
32 \newtheorem{notation}{Notation}
33
34 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
35 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
36 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
37 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
38 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
39 \let\sur=\overline
40
41 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
42
43 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
44 \begin{document}
45
46 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
47 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
48    
49
50 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
51 \begin{abstract}
52 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
53 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
54 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
55 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
56 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
57 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
58 cards.
59 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
60 secure.
61 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
62
63
64 \end{abstract}
65 }
66
67 \maketitle
68
69 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
70 \IEEEpeerreviewmaketitle
71
72
73 \section{Introduction}
74
75 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
76 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
77 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
78 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
79 generator (TRNG). 
80 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
81 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
82 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
83 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
84 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
85 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
86 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
87 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
88 achieve both speed and randomness.
89 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
90 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
91 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
92 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
93 sequence. 
94 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
95 third requirement, that is to define chaotic generators.
96 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
97 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
98 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
99 and unassailable due to chaos.
100 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
101 whereas computers deal with finite precision numbers.
102 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
103 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
104 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
105 between chaos and security as it is understood in cryptography.
106 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
107
108 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
109 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
110 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
111 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
112 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
113 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
114 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
115 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
116 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
117 \emph{only if these last properties are not lost during
118 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
119 It leads to the attempts to define a 
120 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
121 or cryptographically secure.
122 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
123 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
124 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
125 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
126 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
127 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
128 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
129 \begin{color}{red}
130 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
131 twice in order to observe if all p-values are inside [0.01, 0.99]. In
132 fact, we observed that few p-values (less than ten) are sometimes
133 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
134 second run allows us to confirm that the values outside are not for
135 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
136   BigCrush} successfully and all p-values are at least once inside
137 [0.01, 0.99].
138 \end{color}
139
140 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
141 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
142 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
143 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
144 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
145 cannot.
146 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
147 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
148 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
149 is proposed.
150 Although GPU was initially designed  to accelerate
151 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
152 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
153 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
154 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
155 Such device
156 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
157 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
158 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
159 property.
160 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
161 key encryption protocol by using the proposed method.
162
163 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
164   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
165   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
166   and on an iteration process called ``chaotic
167 iterations'' on which the post-treatment is based. 
168 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
169 Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
170 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
171   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
172 Such generators are experimented in 
173 Section~\ref{sec:experiments}.
174 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
175 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
176 generator provided by the post-treatment.
177 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
178 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
179 in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
180 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
181 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
182 summarized and intended future work is presented.
183
184
185
186
187 \section{Related works on GPU based PRNGs}
188 \label{section:related works}
189
190 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
191 literature, so that exhaustivity is impossible.
192 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
193 in this domain, from their subjective point of view. 
194 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
195 only when the information is given in the related work. 
196 A million numbers  per second will be simply written as
197 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
198
199 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
200 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
201 operations. Authors can   generate  about
202 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
203 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
204 chaos or cryptography in this document.
205
206 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
207 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
208 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
209 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
210 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
211 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
212
213
214 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
215 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
216 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
217 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
218 FPGA appears as  the  fastest  and the most
219 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
220 per joule. 
221 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
222 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
223 the results presented in this document.
224 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
225 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
226
227 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
228 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
229 other things 
230 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
231 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
232 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
233 \newline
234 \newline
235 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.
236
237 \section{Basic Recalls}
238 \label{section:BASIC RECALLS}
239
240 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
241 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
242 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
243
244
245 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
246
247 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
248 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
249 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
250 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
251
252
253 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
254 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
255
256 \begin{definition}
257 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
258 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
259 \varnothing$.
260 \end{definition}
261
262 \begin{definition}
263 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
264 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
265 \end{definition}
266
267 \begin{definition}
268 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
269 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
270 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
271 necessarily the same period).
272 \end{definition}
273
274
275 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
276 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
277 topologically transitive.
278 \end{definition}
279
280 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
281 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
282
283 \begin{definition}
284 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
285 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
286 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
287 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
288
289 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
290 \end{definition}
291
292 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
293 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
294 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
295 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
296 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
297 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
298 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
299 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
300 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
301 possible and occur in an unpredictable way.
302
303
304
305 \subsection{Chaotic Iterations}
306 \label{sec:chaotic iterations}
307
308
309 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
310 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
311 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
312  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
313 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
314 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
315 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
316
317 \begin{definition}
318 \label{Def:chaotic iterations}
319 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
320 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
321 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
322 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
323 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
324 \begin{equation}
325 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
326 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
327 \begin{array}{ll}
328   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
329   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
330 \end{array}\right.
331 \end{equation}
332 \end{definition}
333
334 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
335 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
336 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
337 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
338 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
339 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
340 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
341 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
342
343
344 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
345 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
346
347 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
348 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
349 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
350 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
351 \begin{equation*}
352 \begin{array}{lrll}
353 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
354 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
355 \end{array}%
356 \end{equation*}%
357 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
358 Consider the phase space:
359 \begin{equation}
360 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
361 \mathds{B}^\mathsf{N},
362 \end{equation}
363 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
364 \begin{equation}
365 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
366 \end{equation}
367 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
368 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
369 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
370 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
371 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
372 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
373 \begin{equation}
374 \left\{
375 \begin{array}{l}
376 X^0 \in \mathcal{X} \\
377 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
378 \end{array}%
379 \right.
380 \end{equation}%
381
382 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
383 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
384 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
385 chaotic. 
386 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
387 (\check{S},\check{E})\in
388 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
389 \begin{equation}
390 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
391 \end{equation}
392 \noindent where
393 \begin{equation}
394 \left\{
395 \begin{array}{lll}
396 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
397 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
398 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
399 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
400 \end{array}%
401 \right.
402 \end{equation}
403
404
405 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
406 \begin{itemize}
407 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
408 their distance should increase too.
409 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
410 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
411 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
412 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
413 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
414 updated components are the same as well.
415 \end{itemize}
416 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
417 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
418 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
419 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
420 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
421 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
422 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
423 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
424
425 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
426
427 \begin{proposition}
428 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
429 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
430 \end{proposition}
431
432 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
433 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
434 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
435
436 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
437 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
438 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
439 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
440 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
441 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
442 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
443 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
444 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
445 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
446 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
447
448
449 \begin{theorem}
450 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
451 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
452 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
453 \end{theorem}
454
455 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
456 \begin{theorem}
457   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
458   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
459   matrix and $M$
460   a $n\times n$ matrix defined by 
461   $
462   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
463   if $i \neq j$ and  
464   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
465   
466   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
467   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
468   a law that tends to the uniform distribution 
469   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
470 \end{theorem} 
471
472
473 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
474 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
475 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
476 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
477 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
478 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
479 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
480 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
481 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
482
483 \section{Application to Pseudorandomness}
484 \label{sec:pseudorandom}
485
486 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
487
488 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
489 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
490 leading thus to a new PRNG that 
491 \begin{color}{red}
492 should improve the statistical properties of each
493 generator taken alone. 
494 Furthermore, the generator obtained by this way possesses various chaos properties that none of the generators used as input
495 present.
496
497
498
499 \begin{algorithm}[h!]
500 \begin{small}
501 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
502 ($n$ bits)}
503 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
504 $x\leftarrow x^0$\;
505 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
506 \For{$i=0,\dots,k$}
507 {
508 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
509 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
510 }
511 return $x$\;
512 \end{small}
513 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
514 \label{CI Algorithm}
515 \end{algorithm}
516
517
518
519
520 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
521 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
522 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
523 between two outputs is at least $b$
524 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
525 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
526 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
527  which must return integers
528 uniformly distributed
529 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
530 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
531 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
532 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
533 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
534 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
535 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
536 in our own generator to compute both the number of iterations between two
537 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
538
539 %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.
540
541
542 \begin{algorithm}[h!]
543 \begin{small}
544 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
545 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
546 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
547 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
548 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
549 $y\leftarrow{z}$\;
550 return $y$\;
551 \end{small}
552 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
553 \label{XORshift}
554 \end{algorithm}
555
556
557 \subsection{A ``New CI PRNG''}
558
559 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
560 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
561 In this ``New CI PRNG'', we prevent from changing twice a given
562 bit between two outputs.
563 This new generator is designed by the following process. 
564
565 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
566 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
567 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
568 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudo-random bit 
569 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
570 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
571 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
572 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
573 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
574 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
575
576 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
577 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
578 Such a procedure is equivalent to achieve chaotic iterations with
579 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
580 Finally, some $x^n$ are selected
581 by a sequence $m^n$ as the pseudo-random bit sequence of our generator.
582 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
583
584 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
585 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
586 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
587 This function is required to make the outputs uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$
588 (the reader is referred to~\cite{bg10:ip} for more information).
589
590 \begin{equation}
591 \label{Formula}
592 m^n = g(y^n)=
593 \left\{
594 \begin{array}{l}
595 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
596 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
597 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
598 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
599 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
600 \end{array}
601 \right.
602 \end{equation}
603
604 \begin{algorithm}
605 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
606 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
607 \begin{algorithmic}[1]
608 \FOR{$i=0,\dots,N$}
609 {
610 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
611 }
612 \ENDFOR
613 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
614 \STATE$m\leftarrow{g(a)}$\;
615 \STATE$k\leftarrow{m}$\;
616 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
617
618 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
619 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
620     \IF{$d_S=0$}
621     {
622 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
623 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
624
625     }
626     \ELSIF{$d_S=1$}
627     {
628 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
629     }\ENDIF
630 \ENDWHILE\\
631 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
632 \STATE return $r$\;
633 \medskip
634 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
635 \label{Chaotic iteration1}
636 \end{algorithmic}
637 \end{algorithm}
638 \end{color}
639
640 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
641
642 Instead of updating only one cell at each iteration,\begin{color}{red} we now propose to choose a
643 subset of components and to update them together, for speed improvements. Such a proposition leads\end{color}
644 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
645 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
646 this algorithm can be rewritten as follows:
647
648 \begin{equation}
649 \left\{
650 \begin{array}{l}
651 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
652 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
653 \end{array}
654 \right.
655 \label{equation Oplus0}
656 \end{equation}
657 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
658 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
659 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
660 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
661 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
662 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
663 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
664
665 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus0} is of 
666 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
667 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
668
669 \begin{equation}
670 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
671 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
672 \begin{array}{ll}
673   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
674   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
675 \end{array}\right.
676 \label{eq:generalIC}
677 \end{equation}
678 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
679 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
680 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
681 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
682 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
683 we select a subset of components to change.
684
685
686 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
687 Equation~\ref{equation Oplus0}, which is possible when the iteration function is
688 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
689 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
690 in what follows).
691 However, proofs
692 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
693 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
694 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
695 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
696 faster, does not deflate their topological chaos properties.
697
698 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
699 \label{deuxième def}
700 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
701 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
702 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
703
704 \begin{equation}
705   x_i^n=\left\{
706 \begin{array}{ll}
707   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
708   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
709 \end{array}\right.
710 \label{general CIs}
711 \end{equation}
712
713 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
714 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
715
716 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
717 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
718 is required in order to study the topological behavior of the system.
719
720 Let us introduce the following function:
721 \begin{equation}
722 \begin{array}{cccc}
723  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
724          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
725 \end{array} 
726 \end{equation}
727 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
728
729 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
730 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
731 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
732 \begin{equation*}
733 \begin{array}{rll}
734  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
735 \end{array}%
736 \end{equation*}%
737 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
738 is the negation of the Boolean $x$.
739 Consider the phase space:
740 \begin{equation}
741 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
742 \mathds{B}^\mathsf{N},
743 \end{equation}
744 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
745 \begin{equation}
746 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...
747 \end{equation}
748 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
749 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
750 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
751 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
752 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
753 be described by the following discrete dynamical system:
754 \begin{equation}
755 \left\{
756 \begin{array}{l}
757 X^0 \in \mathcal{X} \\
758 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
759 \end{array}%
760 \right.
761 \end{equation}%
762
763 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
764 iterations. 
765
766 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
767 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
768 Let us introduce:
769 \begin{equation}
770 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
771 \label{nouveau d}
772 \end{equation}
773 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
774  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
775 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
776  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
777 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
778 %% \begin{equation}
779 %% \left\{
780 %% \begin{array}{lll}
781 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
782 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
783 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
784 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
785 %% \end{array}%
786 %% \right.
787 %% \end{equation}
788 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
789 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
790
791
792 \begin{proposition}
793 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
794 \end{proposition}
795
796 \begin{proof}
797  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
798 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
799  \begin{itemize}
800 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
801 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
802 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
803  \item $d_s$ is symmetric 
804 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
805 of the symmetric difference. 
806 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
807 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
808 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
809 inequality is obtained.
810  \end{itemize}
811 \end{proof}
812
813
814 Before being able to study the topological behavior of the general 
815 chaotic iterations, we must first establish that:
816
817 \begin{proposition}
818  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
819 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
820 \end{proposition}
821
822
823 \begin{proof}
824 We use the sequential continuity.
825 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
826 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
827 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
828 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
829 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
830 sequences).\newline
831 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
832 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
833 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
834 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
835 cell will change its state:
836 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
837
838 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
839 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
840 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
841 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
842
843 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
844 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
845 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
846 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
847 \noindent We now prove that the distance between $\left(
848 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
849 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
850 \begin{itemize}
851 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
852 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
853 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
854 \medskip
855 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
856 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
857 \begin{equation*}
858 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
859 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
860 \end{equation*}%
861 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
862 \end{itemize}
863 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
864 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
865 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
866 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
867
868 In conclusion,
869 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
870 $
871 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
872 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
873 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
874 \leqslant \varepsilon .
875 $
876 $G_{f}$ is consequently continuous.
877 \end{proof}
878
879
880 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
881 iterations. We will prove that,
882
883 \begin{theorem}
884 \label{t:chaos des general}
885  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
886 the Devaney's property of chaos.
887 \end{theorem}
888
889 Let us firstly prove the following lemma.
890
891 \begin{lemma}[Strong transitivity]
892 \label{strongTrans}
893  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
894 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
895 \end{lemma}
896
897 \begin{proof}
898  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
899 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
900 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
901 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
902 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
903 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
904 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
905 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
906 \begin{itemize}
907  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
908  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
909 \end{itemize}
910 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
911 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
912 claimed in the lemma.
913 \end{proof}
914
915 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
916
917 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
918 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
919
920 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
921 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
922 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
923 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
924 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
925
926 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
927 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
928 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
929 and $t_2\in\mathds{N}$ such
930 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
931
932 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
933 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
934 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
935 $$\tilde
936 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
937 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
938 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
939 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
940 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
941 \end{proof}
942
943
944 \begin{color}{red}
945 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
946
947 \label{The generation of pseudo-random sequence}
948
949
950 Let us now explain why we are reasonable grounds to believe that chaos 
951 can improve statistical properties.
952 We will show in this section that, when mixing defective PRNGs with
953 chaotic iterations, the result presents better statistical properties
954 (this section summarizes the work of~\cite{bfg12a:ip}).
955
956 \subsection{Details of some Existing Generators}
957
958 The list of defective PRNGs we will use 
959 as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
960
961 Firstly, the simple linear congruency generator (LCGs) will be used. 
962 It is defined by the following recurrence:
963 \begin{equation}
964 x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m
965 \label{LCG}
966 \end{equation}
967 where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and less than 
968 $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer as two (resp. three) 
969 combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
970
971 Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) will be used too, which
972 are based on a linear recurrence of order 
973 $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
974 \begin{equation}
975 x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m
976 \label{MRG}
977 \end{equation}
978 Combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experimentations.
979
980 Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
981 This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
982 \begin{equation}
983 \label{AWC}
984 \begin{array}{l}
985 x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
986 c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
987 the SWB generator, having the recurrence:
988 \begin{equation}
989 \label{SWB}
990 \begin{array}{l}
991 x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
992 c^n=\left\{
993 \begin{array}{l}
994 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
995 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
996 and the SWC generator designed by R. Couture, which is based on the following recurrence:
997 \begin{equation}
998 \label{SWC}
999 \begin{array}{l}
1000 x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1001 c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1002
1003 Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1004 \begin{equation}
1005 x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k}
1006 \label{GFSR}
1007 \end{equation}
1008
1009
1010 Finally, the nonlinear inversive generator~\cite{LEcuyerS07} has been regarded too, which is:
1011
1012 \begin{equation}
1013 \label{INV}
1014 \begin{array}{l}
1015 x^n=\left\{
1016 \begin{array}{ll}
1017 (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1018 a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1019
1020
1021
1022 \begin{table}
1023 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1024 \caption{TestU01 Statistical Test}
1025 \label{TestU011}
1026 \centering
1027   \begin{tabular}{lccccc}
1028     \toprule
1029 Test name &Tests& Logistic              & XORshift      & ISAAC\\
1030 Rabbit                          &       38      &21             &14     &0       \\
1031 Alphabit                        &       17      &16             &9      &0       \\
1032 Pseudo DieHARD                  &126    &0              &2      &0      \\
1033 FIPS\_140\_2                    &16     &0              &0      &0      \\
1034 SmallCrush                      &15     &4              &5      &0       \\
1035 Crush                           &144    &95             &57     &0       \\
1036 Big Crush                       &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1037 Failures                &       &261            &146    &0       \\
1038 \bottomrule
1039   \end{tabular}
1040 \end{table}
1041
1042
1043
1044 \begin{table}
1045 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1046 \caption{TestU01 Statistical Test for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1047 \label{TestU01 for Old CI}
1048 \centering
1049   \begin{tabular}{lcccc}
1050     \toprule
1051 \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1052 &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1053 &+& +& + & + \\ 
1054 &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1055 Rabbit                                  &7      &2      &0      &0       \\
1056 Alphabit                                & 3     &0      &0      &0       \\
1057 DieHARD                         &0      &0      &0      &0      \\
1058 FIPS\_140\_2                    &0      &0      &0      &0      \\
1059 SmallCrush                              &2      &0      &0      &0       \\
1060 Crush                                   &47     &4      &0      &0       \\
1061 Big Crush                               &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1062 Failures                                &138    &9      &0      &0       \\
1063 \bottomrule
1064   \end{tabular}
1065 \end{table}
1066
1067
1068
1069
1070
1071 \subsection{Statistical tests}
1072 \label{Security analysis}
1073
1074 Three batteries of tests are reputed and usually used
1075 to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1076 number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1077 the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1078 TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1079
1080
1081
1082 \label{Results and discussion}
1083 \begin{table*}
1084 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1085 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1086 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1087 \centering
1088   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1089     \hline\hline
1090 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1091 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1092 NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1093 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1094 \end{tabular}
1095 \end{table*}
1096
1097 Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1098 results on the two firsts batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1099 in the previous section
1100 cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1101 fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1102 iterations can solve this issue.
1103 %More precisely, to
1104 %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1105 %\begin{enumerate}
1106 %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1107 %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1108 %  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1109 %\begin{equation}
1110 %\begin{array}{l}
1111 %\left\{
1112 %\begin{array}{l}
1113 %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1114 %\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}
1115 %\end{equation}
1116 %$m$ is called the \emph{functional power}.
1117 %\end{enumerate}
1118 %
1119 The obtained results are reproduced in Table
1120 \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1121 The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1122 asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1123 The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and ``New CI'' generators.
1124 Concerning the ``Xor CI PRNG'', the speed improvement makes that statistical 
1125 results are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1126
1127
1128 \begin{table*}
1129 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1130 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1131 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1132 \centering
1133   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1134     \hline
1135 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1136 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1137 Old CIPRNG\\ \hline \hline
1138 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
1139 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
1140 New CIPRNG\\ \hline \hline
1141 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
1142 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
1143 Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1144 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
1145 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
1146 \end{tabular}
1147 \end{table*}
1148
1149
1150 We have then investigate in~\cite{bfg12a:ip} if it is possible to improve
1151 the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1152 $\oplus$ operation. Results are summarized in~\ref{threshold}, showing
1153 that rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1154 using chaotic iterations on defective generators.
1155
1156 \begin{table*}
1157 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1158 \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1159 \label{threshold}
1160 \centering
1161   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1162     \hline
1163 Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1164 Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1165 \end{tabular}
1166 \end{table*}
1167
1168 Finally, the TestU01 battery as been launched on three well-known generators 
1169 (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1170 see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1171 Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1172 Old CI PRNG that has received these generators.
1173
1174
1175 Next subsection gives a concrete implementation of this Xor CI PRNG, which will 
1176 new be simply called CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1177 raise ambiguity.
1178 \end{color}
1179
1180 \subsection{Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1181 \label{sec:efficient PRNG}
1182 %
1183 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1184 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1185 %The first idea is to consider
1186 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1187 %given PRNG.
1188 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1189 %the last computed state and the current strategy.
1190 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1191 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1192 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1193 %
1194 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1195 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1196 %% are
1197 %% done.  
1198 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1199 %% binary vectors.
1200 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1201
1202 %% \begin{table}
1203 %% \begin{scriptsize}
1204 %% $$
1205 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1206 %% \hline
1207 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1208 %% \hline
1209 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1210 %% \hline
1211 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1212 %% \hline
1213
1214 %% \hline
1215 %%  \end{array}
1216 %% $$
1217 %% \end{scriptsize}
1218 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1219 %% \label{TableExemple}
1220 %% \end{table}
1221
1222
1223
1224
1225 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
1226 \begin{small}
1227 \begin{lstlisting}
1228
1229 unsigned int CIPRNG() {
1230   static unsigned int x = 123123123;
1231   unsigned long t1 = xorshift();
1232   unsigned long t2 = xor128();
1233   unsigned long t3 = xorwow();
1234   x = x^(unsigned int)t1;
1235   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1236   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1237   x = x^(unsigned int)t2;
1238   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1239   x = x^(unsigned int)t3;
1240   return x;
1241 }
1242 \end{lstlisting}
1243 \end{small}
1244
1245
1246
1247 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1248 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1249 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1250 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1251 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1252 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1253 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1254 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1255   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1256
1257 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1258 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1259 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
1260
1261 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1262 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1263
1264 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1265 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1266 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1267 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1268 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1269 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1270 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1271 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1272 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1273 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1274 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1275 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1276 called {\it kernels}.
1277
1278
1279 \subsection{Naive Version for GPU}
1280
1281  
1282 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1283 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1284 Of course,  the  three xor-like
1285 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1286 In a given thread, these parameters are
1287 randomly picked from another PRNGs. 
1288 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1289 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1290 parameters embedded into each thread.   
1291
1292 The implementation of  the three
1293 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1294 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1295 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1296 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1297 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1298
1299
1300 \begin{algorithm}
1301 \begin{small}
1302 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1303 PRNGs in global memory\;
1304 NumThreads: number of threads\;}
1305 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1306 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1307   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1308   \For{i=1 to n} {
1309     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1310     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1311   }
1312   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1313 }
1314 \end{small}
1315 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1316 \label{algo:gpu_kernel}
1317 \end{algorithm}
1318
1319
1320
1321 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1322 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1323 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1324 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1325 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1326 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1327 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1328 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1329 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1330 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1331
1332 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1333 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1334 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1335
1336 \begin{remark}
1337 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1338 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1339 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1340 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1341 for all the different nodes involved in the computation.
1342 \end{remark}
1343
1344 \subsection{Improved Version for GPU}
1345
1346 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1347 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1348 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1349 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1350 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1351 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1352 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1353 performed. 
1354
1355 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1356 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1357 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1358 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1359 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1360 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1361 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1362 bits).
1363
1364 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1365
1366 \begin{algorithm}
1367 \begin{small}
1368 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1369 in global memory\;
1370 NumThreads: Number of threads\;
1371 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1372
1373 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1374 \If{threadId is concerned} {
1375   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1376   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1377   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1378   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1379   \For{i=1 to n} {
1380     t=xor-like()\;
1381     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1382     shared\_mem[threadId]=t\;
1383     x = x\textasciicircum t\;
1384
1385     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1386   }
1387   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1388 }
1389 \end{small}
1390 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1391 version\label{IR}}
1392 \label{algo:gpu_kernel2} 
1393 \end{algorithm}
1394
1395 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1396
1397 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1398 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1399 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1400 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1401 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1402 and two values previously obtained by two other threads).
1403 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1404 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1405 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1406 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1407 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1408 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1409 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1410
1411 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1412 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1413 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1414 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1415 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1416 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1417 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1418
1419 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1420 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1421 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1422
1423 \section{Experiments}
1424 \label{sec:experiments}
1425
1426 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1427 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1428 and an
1429 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1430 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1431 All the
1432 cards have 240 cores.
1433
1434 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1435 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1436 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1437 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1438 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1439 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1440 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1441 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1442 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1443 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1444 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1445 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1446 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1447 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1448 should be of better quality.
1449 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1450 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1451
1452 \begin{figure}[htbp]
1453 \begin{center}
1454   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1455 \end{center}
1456 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1457 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1458 \end{figure}
1459
1460
1461
1462
1463
1464 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1465 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1466 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1467 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1468 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1469 reduction.
1470
1471 \begin{figure}[htbp]
1472 \begin{center}
1473   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1474 \end{center}
1475 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1476 \label{fig:time_bbs_gpu}
1477 \end{figure}
1478
1479 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1480 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1481 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1482 explained by the fact that the former  version has ``only''
1483 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1484 as it is shown in the next sections.
1485
1486
1487
1488
1489
1490
1491
1492 \section{Security Analysis}
1493 \label{sec:security analysis}
1494
1495
1496
1497 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1498 denoted by $uv$.
1499 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1500 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1501 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1502 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1503 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1504
1505 \begin{definition}
1506 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1507 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1508 large $m$'s,
1509 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1510 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1511 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1512 internal coin tosses of $D$. 
1513 \end{definition}
1514
1515 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1516 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1517 negligible probability. The interested reader is referred
1518 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1519 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1520 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1521
1522 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1523 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1524 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1525 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1526 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1527 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1528 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1529 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1530 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1531 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1532 We claim now that if this PRNG is secure,
1533 then the new one is secure too.
1534
1535 \begin{proposition}
1536 \label{cryptopreuve}
1537 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1538 PRNG too.
1539 \end{proposition}
1540
1541 \begin{proof}
1542 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1543 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1544 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1545 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1546 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1547 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1548 $kN$:
1549 \begin{enumerate}
1550 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1551 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1552 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1553   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1554 \item Return $D(z)$.
1555 \end{enumerate}
1556
1557
1558 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1559 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1560 (each $w_i$ has length $N$) to 
1561 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1562   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1563 \begin{equation}\label{PCH-1}
1564 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1565 \end{equation}
1566 where $y$ is randomly generated. 
1567 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1568 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1569 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1570 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1571 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1572 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1573 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1574 one has
1575 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1576 therefore, 
1577 \begin{equation}\label{PCH-2}
1578 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1579 \end{equation}
1580
1581 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1582 \begin{equation}\label{PCH-3}
1583 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1584 \end{equation}
1585 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1586 thus
1587 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1588 D^\prime(H(x))=D(yx),
1589 \end{equation}
1590 where $y$ is randomly generated. 
1591 It follows that 
1592
1593 \begin{equation}\label{PCH-4}
1594 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1595 \end{equation}
1596  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1597 there exists a polynomial time probabilistic
1598 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1599 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1600 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1601 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1602 \end{proof}
1603
1604
1605 \section{Cryptographical Applications}
1606
1607 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1608 \label{sec:CSGPU}
1609
1610 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1611 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1612 it simply consists  in replacing
1613 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1614 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1615 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1616 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1617 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1618
1619   
1620 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1621 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1622 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1623 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1624 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1625 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1626 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1627 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1628 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1629 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1630 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1631 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1632   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1633 the followings  modifications. 
1634 \begin{itemize}
1635 \item
1636 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1637 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1638 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1639 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1640 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1641 %This approach  adds more randomness.   
1642 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1643 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1644 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1645 \item
1646 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1647 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1648 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1649 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1650 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1651 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1652 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1653 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1654 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1655 and add 3 new bits.
1656 \item
1657 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1658 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1659 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1660 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1661 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1662 \end{itemize}
1663
1664 \begin{algorithm}
1665 \begin{small}
1666 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1667 in global memory\;
1668 NumThreads: Number of threads\;
1669 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1670 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1671 }
1672
1673 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1674 \If{threadId is concerned} {
1675   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1676   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1677   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1678   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1679   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1680   \For{i=1 to n} {
1681     t$<<$=4\;
1682     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1683     ...\;
1684     t$<<$=4\;
1685     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1686     \tcp{two new shifts}
1687     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1688     t$<<$=shift\;
1689     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1690     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1691     t$<<$=shift\;
1692     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1693     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1694     shared\_mem[threadId]=t\;
1695     x = x\textasciicircum   t\;
1696
1697     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1698   }
1699   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1700 }
1701 \end{small}
1702 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1703 \label{algo:bbs_gpu}
1704 \end{algorithm}
1705
1706 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1707 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1708 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1709 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1710 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1711 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1712 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1713 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1714 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1715 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1716   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1717 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1718 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1719 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1720 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1721 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1722 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1723
1724 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1725 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1726 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1727 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1728 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
1729 secure.
1730
1731
1732
1733 \begin{color}{red}
1734 \subsection{Practical Security Evaluation}
1735
1736 Suppose now that the PRNG will work during 
1737 $M=100$ time units, and that during this period,
1738 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1739 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1740 lifetime, the attacker can distinguish this 
1741 sequence from truly random one, with a probability
1742 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1743 We consider that $N$ has 900 bits.
1744
1745 The random process is the BBS generator, which
1746 is cryptographically secure. More precisely, it
1747 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1748 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1749 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1750 $$
1751 T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1752 $$
1753 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1754 our example), and $L(N)$ is equal to
1755 $$
1756 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln(2)^\frac{1}{3}) \times ln(N~ln 2)^\frac{2}{3}\right)
1757 $$
1758 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1759 integer.
1760
1761 A direct numerical application shows that this attacker 
1762 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1763 attack in that context.
1764
1765 \end{color}
1766
1767 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1768 \label{Blum-Goldwasser}
1769 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1770 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1771 This first approach will be further investigated in a future work.
1772
1773 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1774
1775 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
1776 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
1777 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
1778 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
1779 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
1780  reconstruction of the keystream.
1781
1782 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
1783 randomly and independently of each other, that are
1784  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
1785 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
1786
1787
1788 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
1789 \begin{enumerate}
1790 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
1791 \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 $L-1$,
1792 \begin{itemize}
1793 \item $i=0$.
1794 \item While $i \leqslant L-1$:
1795 \begin{itemize}
1796 \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 $x_i$,
1797 \item $i=i+1$,
1798 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
1799 \end{itemize}
1800 \end{itemize}
1801 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
1802 \end{enumerate}
1803
1804
1805 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
1806 \begin{enumerate}
1807 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
1808 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
1809 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
1810 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
1811 \end{enumerate}
1812
1813
1814 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
1815
1816 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
1817 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
1818 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
1819 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
1820 her new public key will be $(S^0, N)$.
1821
1822 To encrypt his message, Bob will compute
1823 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
1824 %\begin{equation}
1825 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
1826 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
1827 %%\end{equation}
1828 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
1829
1830 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
1831 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
1832 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
1833 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
1834 the inheritance of all the properties presented in this paper.
1835
1836 \section{Conclusion}
1837
1838
1839 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
1840 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
1841 chaotic according to Devaney.
1842 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
1843 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
1844 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
1845 namely the BigCrush.
1846 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
1847 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
1848 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
1849 \begin{color}{red} An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
1850 behaves chaotically, has finally been proposed. \end{color}
1851
1852 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
1853 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
1854 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
1855 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
1856 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
1857 in a simulation context or in a cryptographic one.
1858
1859
1860
1861 \bibliographystyle{plain} 
1862 \bibliography{mabase}
1863 \end{document}