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

Private GIT Repository
c5fbd5deafc79647c76aa826a8d0ddc923d8344a
[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
130
131 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
132 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
133 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
134 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
135 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
136 cannot.
137 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
138 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
139 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
140 is proposed.
141 Although GPU was initially designed  to accelerate
142 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
143 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
144 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
145 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
146 Such device
147 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
148 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
149 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
150 property.
151 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
152 key encryption protocol by using the proposed method.
153
154 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
155   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
156   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
157   and on an iteration process called ``chaotic
158 iterations'' on which the post-treatment is based. 
159 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
160 Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
161 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
162   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
163 Such generators are experimented in 
164 Section~\ref{sec:experiments}.
165 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
166 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
167 generator provided by the post-treatment.
168 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
169 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
170 in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
171 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
172 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
173 summarized and intended future work is presented.
174
175
176
177
178 \section{Related works on GPU based PRNGs}
179 \label{section:related works}
180
181 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
182 literature, so that exhaustivity is impossible.
183 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
184 in this domain, from their subjective point of view. 
185 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
186 only when the information is given in the related work. 
187 A million numbers  per second will be simply written as
188 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
189
190 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
191 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
192 operations. Authors can   generate  about
193 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
194 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
195 chaos or cryptography in this document.
196
197 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
198 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
199 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
200 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
201 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
202 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
203
204
205 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
206 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
207 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
208 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
209 FPGA appears as  the  fastest  and the most
210 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
211 per joule. 
212 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
213 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
214 the results presented in this document.
215 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
216 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
217
218 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
219 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
220 other things 
221 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
222 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
223 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
224 \newline
225 \newline
226 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.
227
228 \section{Basic Recalls}
229 \label{section:BASIC RECALLS}
230
231 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
232 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
233 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
234
235
236 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
237
238 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
239 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
240 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
241 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
242
243
244 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
245 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
246
247 \begin{definition}
248 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
249 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
250 \varnothing$.
251 \end{definition}
252
253 \begin{definition}
254 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
255 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
256 \end{definition}
257
258 \begin{definition}
259 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
260 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
261 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
262 necessarily the same period).
263 \end{definition}
264
265
266 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
267 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
268 topologically transitive.
269 \end{definition}
270
271 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
272 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
273
274 \begin{definition}
275 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
276 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
277 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
278 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
279
280 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
281 \end{definition}
282
283 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
284 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
285 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
286 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
287 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
288 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
289 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
290 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
291 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
292 possible and occur in an unpredictable way.
293
294
295
296 \subsection{Chaotic Iterations}
297 \label{sec:chaotic iterations}
298
299
300 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
301 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
302 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
303  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
304 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
305 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
306 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
307
308 \begin{definition}
309 \label{Def:chaotic iterations}
310 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
311 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
312 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
313 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
314 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
315 \begin{equation}
316 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
317 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
318 \begin{array}{ll}
319   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
320   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
321 \end{array}\right.
322 \end{equation}
323 \end{definition}
324
325 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
326 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
327 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
328 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
329 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
330 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
331 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
332 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
333
334
335 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
336 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
337
338 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
339 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
340 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
341 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
342 \begin{equation*}
343 \begin{array}{lrll}
344 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
345 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
346 \end{array}%
347 \end{equation*}%
348 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
349 Consider the phase space:
350 \begin{equation}
351 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
352 \mathds{B}^\mathsf{N},
353 \end{equation}
354 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
355 \begin{equation}
356 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
357 \end{equation}
358 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
359 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
360 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
361 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
362 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
363 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
364 \begin{equation}
365 \left\{
366 \begin{array}{l}
367 X^0 \in \mathcal{X} \\
368 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
369 \end{array}%
370 \right.
371 \end{equation}%
372
373 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
374 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
375 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
376 chaotic. 
377 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
378 (\check{S},\check{E})\in
379 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
380 \begin{equation}
381 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
382 \end{equation}
383 \noindent where
384 \begin{equation}
385 \left\{
386 \begin{array}{lll}
387 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
388 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
389 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
390 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
391 \end{array}%
392 \right.
393 \end{equation}
394
395
396 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
397 \begin{itemize}
398 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
399 their distance should increase too.
400 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
401 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
402 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
403 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
404 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
405 updated components are the same as well.
406 \end{itemize}
407 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
408 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
409 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
410 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
411 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
412 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
413 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
414 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
415
416 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
417
418 \begin{proposition}
419 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
420 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
421 \end{proposition}
422
423 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
424 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
425 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
426
427 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
428 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
429 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
430 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
431 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
432 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
433 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
434 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
435 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
436 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
437 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
438
439
440 \begin{theorem}
441 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
442 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
443 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
444 \end{theorem}
445
446 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
447 \begin{theorem}
448   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
449   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
450   matrix and $M$
451   a $n\times n$ matrix defined by 
452   $
453   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
454   if $i \neq j$ and  
455   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
456   
457   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
458   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
459   a law that tends to the uniform distribution 
460   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
461 \end{theorem} 
462
463
464 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
465 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
466 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
467 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
468 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
469 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
470 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
471 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
472 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
473
474 \section{Application to Pseudorandomness}
475 \label{sec:pseudorandom}
476
477 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
478
479 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
480 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
481 leading thus to a new PRNG that 
482 \begin{color}{red}
483 should improves the statistical properties of each
484 generator taken alone. 
485 Furthermore, the generator obtained by this way possesses various chaos properties that none of the generators used as input
486 present.
487
488
489
490 \begin{algorithm}[h!]
491 \begin{small}
492 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
493 ($n$ bits)}
494 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
495 $x\leftarrow x^0$\;
496 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
497 \For{$i=0,\dots,k$}
498 {
499 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
500 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
501 }
502 return $x$\;
503 \end{small}
504 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
505 \label{CI Algorithm}
506 \end{algorithm}
507
508
509
510
511 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
512 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
513 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
514 between two outputs is at least $b$
515 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
516 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
517 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
518  which must return integers
519 uniformly distributed
520 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
521 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
522 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
523 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
524 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
525 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
526 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
527 in our own generator to compute both the number of iterations between two
528 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
529
530 %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.
531
532
533 \begin{algorithm}[h!]
534 \begin{small}
535 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
536 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
537 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
538 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
539 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
540 $y\leftarrow{z}$\;
541 return $y$\;
542 \end{small}
543 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
544 \label{XORshift}
545 \end{algorithm}
546
547
548 \subsection{A ``New CI PRNG''}
549
550 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
551 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
552 In this ``New CI PRNG'', we prevent from changing twice a given
553 bit between two outputs.
554 This new generator is designed by the following process. 
555
556 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
557 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
558 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
559 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudo-random bit 
560 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
561 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
562 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
563 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
564 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
565 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
566
567 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
568 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
569 Such a procedure is equivalent to achieve chaotic iterations with
570 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
571 Finally, some $x^n$ are selected
572 by a sequence $m^n$ as the pseudo-random bit sequence of our generator.
573 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
574
575 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
576 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
577 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
578 This function is required to make the outputs uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$
579 (the reader is referred to~\cite{bg10:ip} for more information).
580
581 \begin{equation}
582 \label{Formula}
583 m^n = g(y^n)=
584 \left\{
585 \begin{array}{l}
586 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
587 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
588 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
589 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
590 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
591 \end{array}
592 \right.
593 \end{equation}
594
595 \begin{algorithm}
596 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
597 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
598 \begin{algorithmic}[1]
599 \FOR{$i=0,\dots,N$}
600 {
601 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
602 }
603 \ENDFOR
604 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
605 \STATE$m\leftarrow{g(a)}$\;
606 \STATE$k\leftarrow{m}$\;
607 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
608
609 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
610 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
611     \IF{$d_S=0$}
612     {
613 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
614 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
615
616     }
617     \ELSIF{$d_S=1$}
618     {
619 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
620     }\ENDIF
621 \ENDWHILE\\
622 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
623 \STATE return $r$\;
624 \medskip
625 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
626 \label{Chaotic iteration1}
627 \end{algorithmic}
628 \end{algorithm}
629 \end{color}
630
631 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
632
633 Instead of updating only one cell at each iteration,\begin{color}{red} we now propose to choose a
634 subset of components and to update them together, for speed improvements. Such a proposition leads\end{color}
635 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
636 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
637 this algorithm can be rewritten as follows:
638
639 \begin{equation}
640 \left\{
641 \begin{array}{l}
642 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
643 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
644 \end{array}
645 \right.
646 \label{equation Oplus0}
647 \end{equation}
648 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
649 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
650 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
651 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
652 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
653 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
654 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
655
656 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus0} is of 
657 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
658 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
659
660 \begin{equation}
661 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
662 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
663 \begin{array}{ll}
664   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
665   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
666 \end{array}\right.
667 \label{eq:generalIC}
668 \end{equation}
669 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
670 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
671 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
672 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
673 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
674 we select a subset of components to change.
675
676
677 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
678 Equation~\ref{equation Oplus0}, which is possible when the iteration function is
679 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
680 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
681 in what follows).
682 However, proofs
683 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
684 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
685 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
686 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
687 faster, does not deflate their topological chaos properties.
688
689 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
690 \label{deuxième def}
691 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
692 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
693 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
694
695 \begin{equation}
696   x_i^n=\left\{
697 \begin{array}{ll}
698   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
699   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
700 \end{array}\right.
701 \label{general CIs}
702 \end{equation}
703
704 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
705 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
706
707 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
708 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
709 is required in order to study the topological behavior of the system.
710
711 Let us introduce the following function:
712 \begin{equation}
713 \begin{array}{cccc}
714  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
715          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
716 \end{array} 
717 \end{equation}
718 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
719
720 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
721 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
722 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
723 \begin{equation*}
724 \begin{array}{rll}
725  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
726 \end{array}%
727 \end{equation*}%
728 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
729 is the negation of the Boolean $x$.
730 Consider the phase space:
731 \begin{equation}
732 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
733 \mathds{B}^\mathsf{N},
734 \end{equation}
735 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
736 \begin{equation}
737 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...
738 \end{equation}
739 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
740 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
741 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
742 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
743 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
744 be described by the following discrete dynamical system:
745 \begin{equation}
746 \left\{
747 \begin{array}{l}
748 X^0 \in \mathcal{X} \\
749 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
750 \end{array}%
751 \right.
752 \end{equation}%
753
754 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
755 iterations. 
756
757 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
758 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
759 Let us introduce:
760 \begin{equation}
761 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
762 \label{nouveau d}
763 \end{equation}
764 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
765  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
766 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
767  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
768 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
769 %% \begin{equation}
770 %% \left\{
771 %% \begin{array}{lll}
772 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
773 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
774 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
775 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
776 %% \end{array}%
777 %% \right.
778 %% \end{equation}
779 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
780 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
781
782
783 \begin{proposition}
784 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
785 \end{proposition}
786
787 \begin{proof}
788  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
789 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
790  \begin{itemize}
791 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
792 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
793 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
794  \item $d_s$ is symmetric 
795 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
796 of the symmetric difference. 
797 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
798 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
799 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
800 inequality is obtained.
801  \end{itemize}
802 \end{proof}
803
804
805 Before being able to study the topological behavior of the general 
806 chaotic iterations, we must first establish that:
807
808 \begin{proposition}
809  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
810 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
811 \end{proposition}
812
813
814 \begin{proof}
815 We use the sequential continuity.
816 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
817 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
818 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
819 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
820 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
821 sequences).\newline
822 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
823 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
824 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
825 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
826 cell will change its state:
827 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
828
829 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
830 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
831 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
832 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
833
834 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
835 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
836 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
837 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
838 \noindent We now prove that the distance between $\left(
839 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
840 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
841 \begin{itemize}
842 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
843 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
844 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
845 \medskip
846 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
847 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
848 \begin{equation*}
849 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
850 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
851 \end{equation*}%
852 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
853 \end{itemize}
854 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
855 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
856 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
857 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
858
859 In conclusion,
860 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
861 $
862 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
863 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
864 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
865 \leqslant \varepsilon .
866 $
867 $G_{f}$ is consequently continuous.
868 \end{proof}
869
870
871 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
872 iterations. We will prove that,
873
874 \begin{theorem}
875 \label{t:chaos des general}
876  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
877 the Devaney's property of chaos.
878 \end{theorem}
879
880 Let us firstly prove the following lemma.
881
882 \begin{lemma}[Strong transitivity]
883 \label{strongTrans}
884  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
885 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
886 \end{lemma}
887
888 \begin{proof}
889  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
890 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
891 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
892 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
893 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
894 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
895 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
896 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
897 \begin{itemize}
898  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
899  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
900 \end{itemize}
901 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
902 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
903 claimed in the lemma.
904 \end{proof}
905
906 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
907
908 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
909 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
910
911 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
912 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
913 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
914 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
915 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
916
917 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
918 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
919 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
920 and $t_2\in\mathds{N}$ such
921 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
922
923 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
924 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
925 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
926 $$\tilde
927 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
928 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
929 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
930 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
931 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
932 \end{proof}
933
934
935 \begin{color}{red}
936 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
937
938 \label{The generation of pseudo-random sequence}
939
940
941 Let us now explain why we are reasonable grounds to believe that chaos 
942 can improve statistical properties.
943 We will show in this section that, when mixing defective PRNGs with
944 chaotic iterations, the result presents better statistical properties
945 (this section summarizes the work of~\cite{bfg12a:ip}).
946
947 \subsection{Details of some Existing Generators}
948
949 The list of defective PRNGs we will use 
950 as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
951
952 Firstly, the simple linear congruency generator (LCGs) will be used. 
953 It is defined by the following recurrence:
954 \begin{equation}
955 x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m
956 \label{LCG}
957 \end{equation}
958 where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and less than 
959 $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer as two (resp. three) 
960 combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
961
962 Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) will be used too, which
963 are based on a linear recurrence of order 
964 $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
965 \begin{equation}
966 x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m
967 \label{MRG}
968 \end{equation}
969 Combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experimentations.
970
971 Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
972 This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
973 \begin{equation}
974 \label{AWC}
975 \begin{array}{l}
976 x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
977 c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
978 the SWB generator, having the recurrence:
979 \begin{equation}
980 \label{SWB}
981 \begin{array}{l}
982 x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
983 c^n=\left\{
984 \begin{array}{l}
985 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
986 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
987 and the SWC generator designed by R. Couture, which is based on the following recurrence:
988 \begin{equation}
989 \label{SWC}
990 \begin{array}{l}
991 x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
992 c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
993
994 Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
995 \begin{equation}
996 x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k}
997 \label{GFSR}
998 \end{equation}
999
1000
1001 Finally, the nonlinear inversive generator~\cite{LEcuyerS07} has been regarded too, which is:
1002
1003 \begin{equation}
1004 \label{INV}
1005 \begin{array}{l}
1006 x^n=\left\{
1007 \begin{array}{ll}
1008 (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1009 a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1010
1011
1012
1013 \begin{table}
1014 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1015 \caption{TestU01 Statistical Test}
1016 \label{TestU011}
1017 \centering
1018   \begin{tabular}{lccccc}
1019     \toprule
1020 Test name &Tests& Logistic              & XORshift      & ISAAC\\
1021 Rabbit                          &       38      &21             &14     &0       \\
1022 Alphabit                        &       17      &16             &9      &0       \\
1023 Pseudo DieHARD                  &126    &0              &2      &0      \\
1024 FIPS\_140\_2                    &16     &0              &0      &0      \\
1025 SmallCrush                      &15     &4              &5      &0       \\
1026 Crush                           &144    &95             &57     &0       \\
1027 Big Crush                       &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1028 Failures                &       &261            &146    &0       \\
1029 \bottomrule
1030   \end{tabular}
1031 \end{table}
1032
1033
1034
1035 \begin{table}
1036 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1037 \caption{TestU01 Statistical Test for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1038 \label{TestU01 for Old CI}
1039 \centering
1040   \begin{tabular}{lcccc}
1041     \toprule
1042 \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1043 &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1044 &+& +& + & + \\ 
1045 &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1046 Rabbit                                  &7      &2      &0      &0       \\
1047 Alphabit                                & 3     &0      &0      &0       \\
1048 DieHARD                         &0      &0      &0      &0      \\
1049 FIPS\_140\_2                    &0      &0      &0      &0      \\
1050 SmallCrush                              &2      &0      &0      &0       \\
1051 Crush                                   &47     &4      &0      &0       \\
1052 Big Crush                               &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1053 Failures                                &138    &9      &0      &0       \\
1054 \bottomrule
1055   \end{tabular}
1056 \end{table}
1057
1058
1059
1060
1061
1062 \subsection{Statistical tests}
1063 \label{Security analysis}
1064
1065 Three batteries of tests are reputed and usually used
1066 to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1067 number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1068 the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1069 TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1070
1071
1072
1073 \label{Results and discussion}
1074 \begin{table*}
1075 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1076 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1077 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1078 \centering
1079   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1080     \hline\hline
1081 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1082 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1083 NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1084 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1085 \end{tabular}
1086 \end{table*}
1087
1088 Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1089 results on the two firsts batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1090 in the previous section
1091 cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1092 fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1093 iterations can solve this issue.
1094 %More precisely, to
1095 %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1096 %\begin{enumerate}
1097 %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1098 %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1099 %  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1100 %\begin{equation}
1101 %\begin{array}{l}
1102 %\left\{
1103 %\begin{array}{l}
1104 %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1105 %\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}
1106 %\end{equation}
1107 %$m$ is called the \emph{functional power}.
1108 %\end{enumerate}
1109 %
1110 The obtained results are reproduced in Table
1111 \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1112 The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1113 asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1114 The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and ``New CI'' generators.
1115 Concerning the ``Xor CI PRNG'', the speed improvement makes that statistical 
1116 results are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1117
1118
1119 \begin{table*}
1120 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1121 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1122 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1123 \centering
1124   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1125     \hline
1126 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1127 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1128 Old CIPRNG\\ \hline \hline
1129 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
1130 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
1131 New CIPRNG\\ \hline \hline
1132 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
1133 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
1134 Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1135 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
1136 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
1137 \end{tabular}
1138 \end{table*}
1139
1140
1141 We have then investigate in~\cite{bfg12a:ip} if it is possible to improve
1142 the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1143 $\oplus$ operation. Results are summarized in~\ref{threshold}, showing
1144 that rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1145 using chaotic iterations on defective generators.
1146
1147 \begin{table*}
1148 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1149 \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1150 \label{threshold}
1151 \centering
1152   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1153     \hline
1154 Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1155 Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1156 \end{tabular}
1157 \end{table*}
1158
1159 Finally, the TestU01 battery as been launched on three well-known generators 
1160 (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1161 see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1162 Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1163 Old CI PRNG that has received these generators.
1164
1165
1166 Next subsection gives a concrete implementation of this Xor CI PRNG, which will 
1167 new be simply called CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1168 raise ambiguity.
1169 \end{color}
1170
1171 \subsection{Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1172 \label{sec:efficient PRNG}
1173 %
1174 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1175 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1176 %The first idea is to consider
1177 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1178 %given PRNG.
1179 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1180 %the last computed state and the current strategy.
1181 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1182 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1183 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1184 %
1185 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1186 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1187 %% are
1188 %% done.  
1189 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1190 %% binary vectors.
1191 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1192
1193 %% \begin{table}
1194 %% \begin{scriptsize}
1195 %% $$
1196 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1197 %% \hline
1198 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1199 %% \hline
1200 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1201 %% \hline
1202 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1203 %% \hline
1204
1205 %% \hline
1206 %%  \end{array}
1207 %% $$
1208 %% \end{scriptsize}
1209 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1210 %% \label{TableExemple}
1211 %% \end{table}
1212
1213
1214
1215
1216 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
1217 \begin{small}
1218 \begin{lstlisting}
1219
1220 unsigned int CIPRNG() {
1221   static unsigned int x = 123123123;
1222   unsigned long t1 = xorshift();
1223   unsigned long t2 = xor128();
1224   unsigned long t3 = xorwow();
1225   x = x^(unsigned int)t1;
1226   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1227   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1228   x = x^(unsigned int)t2;
1229   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1230   x = x^(unsigned int)t3;
1231   return x;
1232 }
1233 \end{lstlisting}
1234 \end{small}
1235
1236
1237
1238 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1239 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1240 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1241 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1242 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1243 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1244 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1245 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1246   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1247
1248 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1249 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1250 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
1251
1252 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1253 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1254
1255 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1256 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1257 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1258 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1259 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1260 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1261 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1262 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1263 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1264 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1265 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1266 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1267 called {\it kernels}.
1268
1269
1270 \subsection{Naive Version for GPU}
1271
1272  
1273 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1274 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1275 Of course,  the  three xor-like
1276 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1277 In a given thread, these parameters are
1278 randomly picked from another PRNGs. 
1279 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1280 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1281 parameters embedded into each thread.   
1282
1283 The implementation of  the three
1284 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1285 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1286 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1287 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1288 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1289
1290
1291 \begin{algorithm}
1292 \begin{small}
1293 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1294 PRNGs in global memory\;
1295 NumThreads: number of threads\;}
1296 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1297 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1298   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1299   \For{i=1 to n} {
1300     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1301     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1302   }
1303   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1304 }
1305 \end{small}
1306 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1307 \label{algo:gpu_kernel}
1308 \end{algorithm}
1309
1310
1311
1312 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1313 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1314 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1315 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1316 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1317 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1318 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1319 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1320 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1321 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1322
1323 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1324 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1325 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1326
1327 \begin{remark}
1328 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1329 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1330 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1331 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1332 for all the different nodes involved in the computation.
1333 \end{remark}
1334
1335 \subsection{Improved Version for GPU}
1336
1337 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1338 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1339 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1340 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1341 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1342 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1343 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1344 performed. 
1345
1346 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1347 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1348 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1349 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1350 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1351 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1352 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1353 bits).
1354
1355 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1356
1357 \begin{algorithm}
1358 \begin{small}
1359 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1360 in global memory\;
1361 NumThreads: Number of threads\;
1362 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1363
1364 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1365 \If{threadId is concerned} {
1366   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1367   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1368   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1369   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1370   \For{i=1 to n} {
1371     t=xor-like()\;
1372     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1373     shared\_mem[threadId]=t\;
1374     x = x\textasciicircum t\;
1375
1376     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1377   }
1378   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1379 }
1380 \end{small}
1381 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1382 version\label{IR}}
1383 \label{algo:gpu_kernel2} 
1384 \end{algorithm}
1385
1386 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1387
1388 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1389 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1390 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1391 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1392 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1393 and two values previously obtained by two other threads).
1394 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1395 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1396 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1397 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1398 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1399 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1400 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1401
1402 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1403 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1404 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1405 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1406 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1407 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1408 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1409
1410 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1411 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1412 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1413
1414 \section{Experiments}
1415 \label{sec:experiments}
1416
1417 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1418 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1419 and an
1420 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1421 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1422 All the
1423 cards have 240 cores.
1424
1425 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1426 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1427 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1428 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1429 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1430 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1431 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1432 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1433 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1434 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1435 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1436 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1437 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1438 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1439 should be of better quality.
1440 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1441 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1442
1443 \begin{figure}[htbp]
1444 \begin{center}
1445   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1446 \end{center}
1447 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1448 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1449 \end{figure}
1450
1451
1452
1453
1454
1455 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1456 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1457 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1458 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1459 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1460 reduction.
1461
1462 \begin{figure}[htbp]
1463 \begin{center}
1464   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1465 \end{center}
1466 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1467 \label{fig:time_bbs_gpu}
1468 \end{figure}
1469
1470 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1471 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1472 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1473 explained by the fact that the former  version has ``only''
1474 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1475 as it is shown in the next sections.
1476
1477
1478
1479
1480
1481
1482
1483 \section{Security Analysis}
1484 \label{sec:security analysis}
1485
1486
1487
1488 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1489 denoted by $uv$.
1490 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1491 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1492 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1493 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1494 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1495
1496 \begin{definition}
1497 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1498 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1499 large $m$'s,
1500 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1501 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1502 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1503 internal coin tosses of $D$. 
1504 \end{definition}
1505
1506 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1507 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1508 negligible probability. The interested reader is referred
1509 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1510 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1511 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1512
1513 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1514 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1515 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1516 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1517 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1518 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1519 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1520 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1521 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1522 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1523 We claim now that if this PRNG is secure,
1524 then the new one is secure too.
1525
1526 \begin{proposition}
1527 \label{cryptopreuve}
1528 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1529 PRNG too.
1530 \end{proposition}
1531
1532 \begin{proof}
1533 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1534 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1535 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1536 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1537 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1538 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1539 $kN$:
1540 \begin{enumerate}
1541 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1542 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1543 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1544   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1545 \item Return $D(z)$.
1546 \end{enumerate}
1547
1548
1549 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1550 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1551 (each $w_i$ has length $N$) to 
1552 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1553   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1554 \begin{equation}\label{PCH-1}
1555 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1556 \end{equation}
1557 where $y$ is randomly generated. 
1558 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1559 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1560 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1561 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1562 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1563 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1564 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1565 one has
1566 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1567 therefore, 
1568 \begin{equation}\label{PCH-2}
1569 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1570 \end{equation}
1571
1572 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1573 \begin{equation}\label{PCH-3}
1574 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1575 \end{equation}
1576 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1577 thus
1578 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1579 D^\prime(H(x))=D(yx),
1580 \end{equation}
1581 where $y$ is randomly generated. 
1582 It follows that 
1583
1584 \begin{equation}\label{PCH-4}
1585 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1586 \end{equation}
1587  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1588 there exists a polynomial time probabilistic
1589 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1590 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1591 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1592 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1593 \end{proof}
1594
1595
1596 \section{Cryptographical Applications}
1597
1598 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1599 \label{sec:CSGPU}
1600
1601 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1602 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1603 it simply consists  in replacing
1604 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1605 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1606 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1607 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1608 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1609
1610   
1611 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1612 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1613 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1614 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1615 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1616 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1617 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1618 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1619 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1620 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1621 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1622 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1623   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1624 the followings  modifications. 
1625 \begin{itemize}
1626 \item
1627 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1628 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1629 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1630 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1631 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1632 %This approach  adds more randomness.   
1633 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1634 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1635 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1636 \item
1637 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1638 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1639 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1640 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1641 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1642 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1643 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1644 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1645 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1646 and add 3 new bits.
1647 \item
1648 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1649 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1650 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1651 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1652 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1653 \end{itemize}
1654
1655 \begin{algorithm}
1656 \begin{small}
1657 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1658 in global memory\;
1659 NumThreads: Number of threads\;
1660 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1661 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1662 }
1663
1664 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1665 \If{threadId is concerned} {
1666   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1667   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1668   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1669   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1670   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1671   \For{i=1 to n} {
1672     t$<<$=4\;
1673     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1674     ...\;
1675     t$<<$=4\;
1676     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1677     \tcp{two new shifts}
1678     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1679     t$<<$=shift\;
1680     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1681     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1682     t$<<$=shift\;
1683     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1684     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1685     shared\_mem[threadId]=t\;
1686     x = x\textasciicircum   t\;
1687
1688     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1689   }
1690   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1691 }
1692 \end{small}
1693 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1694 \label{algo:bbs_gpu}
1695 \end{algorithm}
1696
1697 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1698 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1699 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1700 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1701 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1702 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1703 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1704 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1705 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1706 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1707   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1708 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1709 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1710 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1711 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1712 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1713 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1714
1715 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1716 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1717 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1718 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1719 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
1720 secure.
1721
1722
1723
1724 \begin{color}{red}
1725 \subsection{Practical Security Evaluation}
1726
1727 Suppose now that the PRNG will work during 
1728 $M=100$ time units, and that during this period,
1729 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1730 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1731 lifetime, the attacker can distinguish this 
1732 sequence from truly random one, with a probability
1733 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1734 We consider that $N$ has 900 bits.
1735
1736 The random process is the BBS generator, which
1737 is cryptographically secure. More precisely, it
1738 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1739 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1740 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1741 $$
1742 T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1743 $$
1744 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1745 our example), and $L(N)$ is equal to
1746 $$
1747 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln(2)^\frac{1}{3}) \times ln(N~ln 2)^\frac{2}{3}\right)
1748 $$
1749 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1750 integer.
1751
1752 A direct numerical application shows that this attacker 
1753 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1754 attack in that context.
1755
1756 \end{color}
1757
1758 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1759 \label{Blum-Goldwasser}
1760 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1761 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1762 This first approach will be further investigated in a future work.
1763
1764 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1765
1766 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
1767 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
1768 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
1769 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
1770 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
1771  reconstruction of the keystream.
1772
1773 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
1774 randomly and independently of each other, that are
1775  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
1776 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
1777
1778
1779 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
1780 \begin{enumerate}
1781 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
1782 \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 $L-1$,
1783 \begin{itemize}
1784 \item $i=0$.
1785 \item While $i \leqslant L-1$:
1786 \begin{itemize}
1787 \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 $x_i$,
1788 \item $i=i+1$,
1789 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
1790 \end{itemize}
1791 \end{itemize}
1792 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
1793 \end{enumerate}
1794
1795
1796 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
1797 \begin{enumerate}
1798 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
1799 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
1800 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
1801 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
1802 \end{enumerate}
1803
1804
1805 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
1806
1807 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
1808 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
1809 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
1810 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
1811 her new public key will be $(S^0, N)$.
1812
1813 To encrypt his message, Bob will compute
1814 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
1815 %\begin{equation}
1816 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
1817 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
1818 %%\end{equation}
1819 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
1820
1821 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
1822 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
1823 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
1824 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
1825 the inheritance of all the properties presented in this paper.
1826
1827 \section{Conclusion}
1828
1829
1830 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
1831 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
1832 chaotic according to Devaney.
1833 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
1834 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
1835 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
1836 namely the BigCrush.
1837 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
1838 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
1839 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
1840 \begin{color}{red} An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
1841 behaves chaotically, has finally been proposed. \end{color}
1842
1843 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
1844 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
1845 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
1846 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
1847 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
1848 in a simulation context or in a cryptographic one.
1849
1850
1851
1852 \bibliographystyle{plain} 
1853 \bibliography{mabase}
1854 \end{document}