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

Private GIT Repository
c7853b230ce4ab04aab4605b483b5b54a42afeb7
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 \documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[T1]{fontenc}
5 \usepackage{fullpage}
6 \usepackage{fancybox}
7 \usepackage{amsmath}
8 \usepackage{amscd}
9 \usepackage{moreverb}
10 \usepackage{commath}
11 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
12 \usepackage{listings}
13 \usepackage[standard]{ntheorem}
14 \usepackage{algorithmic}
15 \usepackage{slashbox}
16 \usepackage{ctable}
17 \usepackage{tabularx}
18 \usepackage{multirow}
19
20 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
21 \usepackage{dsfont}
22
23 % Pour avoir des intervalles d'entiers
24 \usepackage{stmaryrd}
25
26 \usepackage{graphicx}
27 % Pour faire des sous-figures dans les figures
28 \usepackage{subfigure}
29
30 \usepackage{color}
31
32 \newtheorem{notation}{Notation}
33
34 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
35 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
36 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
37 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
38 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
39 \let\sur=\overline
40
41 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
42
43 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
44 \begin{document}
45
46 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
47 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
48    
49
50 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
51 \begin{abstract}
52 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
53 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
54 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
55 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
56 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
57 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
58 cards.
59 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
60 secure.
61 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
62
63
64 \end{abstract}
65 }
66
67 \maketitle
68
69 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
70 \IEEEpeerreviewmaketitle
71
72
73 \section{Introduction}
74
75 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
76 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
77 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
78 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
79 generator (TRNG). 
80 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
81 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
82 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
83 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
84 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
85 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
86 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
87 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
88 achieve both speed and randomness.
89 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
90 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
91 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
92 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
93 sequence. 
94 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
95 third requirement, that is to define chaotic generators.
96 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
97 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
98 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
99 and unassailable due to chaos.
100 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
101 whereas computers deal with finite precision numbers.
102 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
103 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
104 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
105 between chaos and security as it is understood in cryptography.
106 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
107
108 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
109 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
110 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
111 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
112 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
113 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
114 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
115 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
116 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
117 \emph{only if these last properties are not lost during
118 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
119 It leads to the attempts to define a 
120 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
121 or cryptographically secure.
122 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
123 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
124 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
125 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
126 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
127 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
128 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
129 \begin{color}{red}
130 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
131 twice in order to observe if all p-values are inside [0.01, 0.99]. In
132 fact, we observed that few p-values (less than ten) are sometimes
133 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
134 second run allows us to confirm that the values outside are not for
135 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
136   BigCrush} successfully and all p-values are at least once inside
137 [0.01, 0.99].
138 \end{color}
139
140 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
141 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
142 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
143 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
144 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
145 cannot.
146 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
147 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
148 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
149 is proposed.
150 Although GPU was initially designed  to accelerate
151 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
152 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
153 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
154 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
155 Such device
156 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
157 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
158 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
159 property.
160 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
161 key encryption protocol by using the proposed method.
162
163 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
164   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
165   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
166   and on an iteration process called ``chaotic
167 iterations'' on which the post-treatment is based. 
168 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
169 Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
170 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
171   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
172 Such generators are experimented in 
173 Section~\ref{sec:experiments}.
174 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
175 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
176 generator provided by the post-treatment.
177 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
178 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
179 in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
180 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
181 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
182 summarized and intended future work is presented.
183
184
185
186
187 \section{Related works on GPU based PRNGs}
188 \label{section:related works}
189
190 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
191 literature, so that exhaustivity is impossible.
192 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
193 in this domain, from their subjective point of view. 
194 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
195 only when the information is given in the related work. 
196 A million numbers  per second will be simply written as
197 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
198
199 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
200 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
201 operations. Authors can   generate  about
202 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
203 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
204 chaos or cryptography in this document.
205
206 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
207 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
208 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
209 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
210 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
211 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
212
213
214 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
215 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
216 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
217 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
218 FPGA appears as  the  fastest  and the most
219 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
220 per joule. 
221 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
222 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
223 the results presented in this document.
224 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
225 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
226
227 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
228 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
229 other things 
230 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
231 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
232 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
233 \newline
234 \newline
235 We can finally remark that, to the best of our knowledge, no GPU implementation has been proven to be chaotic, and the cryptographically secure property has surprisingly never been considered.
236
237 \section{Basic Recalls}
238 \label{section:BASIC RECALLS}
239
240 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
241 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
242 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
243
244
245 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
246
247 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
248 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
249 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
250 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
251
252
253 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
254 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
255
256 \begin{definition}
257 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
258 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
259 \varnothing$.
260 \end{definition}
261
262 \begin{definition}
263 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
264 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
265 \end{definition}
266
267 \begin{definition}
268 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
269 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
270 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
271 necessarily the same period).
272 \end{definition}
273
274
275 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
276 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
277 topologically transitive.
278 \end{definition}
279
280 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
281 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
282
283 \begin{definition}
284 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
285 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
286 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
287 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
288
289 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
290 \end{definition}
291
292 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
293 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
294 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
295 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
296 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
297 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
298 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
299 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
300 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
301 possible and occur in an unpredictable way.
302
303
304
305 \subsection{Chaotic Iterations}
306 \label{sec:chaotic iterations}
307
308
309 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
310 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
311 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
312  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
313 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
314 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
315 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
316
317 \begin{definition}
318 \label{Def:chaotic iterations}
319 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
320 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
321 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
322 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
323 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
324 \begin{equation}
325 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
326 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
327 \begin{array}{ll}
328   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
329   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
330 \end{array}\right.
331 \end{equation}
332 \end{definition}
333
334 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
335 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
336 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
337 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
338 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
339 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
340 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
341 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
342
343
344 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
345 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
346
347 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
348 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
349 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
350 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
351 \begin{equation*}
352 \begin{array}{lrll}
353 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
354 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
355 \end{array}%
356 \end{equation*}%
357 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
358 Consider the phase space:
359 \begin{equation}
360 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
361 \mathds{B}^\mathsf{N},
362 \end{equation}
363 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
364 \begin{equation}
365 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
366 \end{equation}
367 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
368 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
369 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
370 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
371 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
372 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
373 \begin{equation}
374 \left\{
375 \begin{array}{l}
376 X^0 \in \mathcal{X} \\
377 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
378 \end{array}%
379 \right.
380 \end{equation}%
381
382 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
383 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
384 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
385 chaotic. 
386 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
387 (\check{S},\check{E})\in
388 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
389 \begin{equation}
390 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
391 \end{equation}
392 \noindent where
393 \begin{equation}
394 \left\{
395 \begin{array}{lll}
396 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
397 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
398 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
399 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
400 \end{array}%
401 \right.
402 \end{equation}
403
404
405 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
406 \begin{itemize}
407 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
408 their distance should increase too.
409 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
410 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
411 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
412 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
413 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
414 updated components are the same as well.
415 \end{itemize}
416 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
417 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
418 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
419 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
420 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
421 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
422 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
423 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
424
425 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
426
427 \begin{proposition}
428 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
429 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
430 \end{proposition}
431
432 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
433 Boolean negation $f_0(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
434 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
435
436 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
437 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
438 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
439 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
440 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
441 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
442 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
443 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
444 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
445 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
446 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
447
448
449 \begin{theorem}
450 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
451 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
452 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
453 \end{theorem}
454
455 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
456 \begin{theorem}
457   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
458   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
459   matrix and $M$
460   a $n\times n$ matrix defined by 
461   $
462   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
463   if $i \neq j$ and  
464   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
465   
466   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
467   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
468   a law that tends to the uniform distribution 
469   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
470 \end{theorem} 
471
472
473 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
474 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
475 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
476 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
477 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
478 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
479 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
480 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
481 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
482
483 \section{Application to Pseudorandomness}
484 \label{sec:pseudorandom}
485
486 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
487
488 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
489 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
490 leading thus to a new PRNG that 
491 \begin{color}{red}
492 should improve the statistical properties of each
493 generator taken alone. 
494 Furthermore, the generator obtained by this way possesses various chaos properties that none of the generators used as input
495 present.
496
497
498
499 \begin{algorithm}[h!]
500 \begin{small}
501 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
502 ($n$ bits)}
503 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
504 $x\leftarrow x^0$\;
505 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
506 \For{$i=0,\dots,k$}
507 {
508 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
509 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
510 }
511 return $x$\;
512 \end{small}
513 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
514 \label{CI Algorithm}
515 \end{algorithm}
516
517
518
519
520 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
521 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
522 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
523 between two outputs is at least $b$
524 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
525 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
526 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
527  which must return integers
528 uniformly distributed
529 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
530 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
531 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
532 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
533 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
534 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
535 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
536 in our own generator to compute both the number of iterations between two
537 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
538
539 %This former generator has successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST~\cite{bcgr11:ip}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} ones.
540
541
542 \begin{algorithm}[h!]
543 \begin{small}
544 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
545 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
546 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
547 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
548 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
549 $y\leftarrow{z}$\;
550 return $y$\;
551 \end{small}
552 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
553 \label{XORshift}
554 \end{algorithm}
555
556
557 \subsection{A ``New CI PRNG''}
558
559 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
560 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
561 In this ``New CI PRNG'', we prevent from changing twice a given
562 bit between two outputs.
563 This new generator is designed by the following process. 
564
565 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
566 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
567 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
568 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
569 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
570 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
571 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
572 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
573 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
574 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
575
576 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
577 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
578 Such a procedure is equivalent to achieve chaotic iterations with
579 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
580 Finally, some $x^n$ are selected
581 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
582 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
583
584 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
585 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
586 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
587 This function is required to make the outputs uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$
588 (the reader is referred to~\cite{bg10:ip} for more information).
589
590 \begin{equation}
591 \label{Formula}
592 m^n = g(y^n)=
593 \left\{
594 \begin{array}{l}
595 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
596 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
597 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
598 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
599 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
600 \end{array}
601 \right.
602 \end{equation}
603
604 \begin{algorithm}
605 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
606 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
607 \begin{algorithmic}[1]
608 \FOR{$i=0,\dots,N$}
609 {
610 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
611 }
612 \ENDFOR
613 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
614 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
615 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
616
617 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
618 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
619     \IF{$d_S=0$}
620     {
621 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
622 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
623
624     }
625     \ELSIF{$d_S=1$}
626     {
627 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
628     }\ENDIF
629 \ENDWHILE\\
630 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
631 \STATE return $r$\;
632 \medskip
633 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
634 \label{Chaotic iteration1}
635 \end{algorithmic}
636 \end{algorithm}
637 \end{color}
638
639 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
640
641 Instead of updating only one cell at each iteration,\begin{color}{red} we now propose to choose a
642 subset of components and to update them together, for speed improvements. Such a proposition leads\end{color}
643 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
644 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
645 this algorithm can be rewritten as follows:
646
647 \begin{equation}
648 \left\{
649 \begin{array}{l}
650 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
651 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
652 \end{array}
653 \right.
654 \label{equation Oplus0}
655 \end{equation}
656 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
657 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
658 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
659 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
660 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
661 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
662 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
663
664 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus0} is of 
665 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
666 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
667
668 \begin{equation}
669 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
670 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
671 \begin{array}{ll}
672   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
673   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
674 \end{array}\right.
675 \label{eq:generalIC}
676 \end{equation}
677 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
678 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
679 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
680 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
681 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
682 we select a subset of components to change.
683
684
685 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
686 Equation~\ref{equation Oplus0}, which is possible when the iteration function is
687 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
688 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
689 in what follows).
690 However, proofs
691 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
692 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
693 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
694 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
695 faster, does not deflate their topological chaos properties.
696
697 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
698 \label{deuxième def}
699 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
700 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
701 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
702
703 \begin{equation}
704   x_i^n=\left\{
705 \begin{array}{ll}
706   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
707   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
708 \end{array}\right.
709 \label{general CIs}
710 \end{equation}
711
712 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
713 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
714
715 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
716 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
717 is required in order to study the topological behavior of the system.
718
719 Let us introduce the following function:
720 \begin{equation}
721 \begin{array}{cccc}
722  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
723          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
724 \end{array} 
725 \end{equation}
726 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
727
728 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
729 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
730 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
731 \begin{equation*}
732 \begin{array}{rll}
733  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
734 \end{array}%
735 \end{equation*}%
736 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
737 is the negation of the Boolean $x$.
738 Consider the phase space:
739 \begin{equation}
740 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
741 \mathds{B}^\mathsf{N},
742 \end{equation}
743 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
744 \begin{equation}
745 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...
746 \end{equation}
747 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
748 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
749 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
750 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
751 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
752 be described by the following discrete dynamical system:
753 \begin{equation}
754 \left\{
755 \begin{array}{l}
756 X^0 \in \mathcal{X} \\
757 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
758 \end{array}%
759 \right.
760 \end{equation}%
761
762 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
763 iterations. 
764
765 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
766 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
767 Let us introduce:
768 \begin{equation}
769 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
770 \label{nouveau d}
771 \end{equation}
772 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
773  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
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 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
777 %% \begin{equation}
778 %% \left\{
779 %% \begin{array}{lll}
780 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
781 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
782 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
783 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
784 %% \end{array}%
785 %% \right.
786 %% \end{equation}
787 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
788 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
789
790
791 \begin{proposition}
792 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
793 \end{proposition}
794
795 \begin{proof}
796  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
797 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
798  \begin{itemize}
799 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
800 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
801 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
802  \item $d_s$ is symmetric 
803 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
804 of the symmetric difference. 
805 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
806 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
807 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
808 inequality is obtained.
809  \end{itemize}
810 \end{proof}
811
812
813 Before being able to study the topological behavior of the general 
814 chaotic iterations, we must first establish that:
815
816 \begin{proposition}
817  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
818 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
819 \end{proposition}
820
821
822 \begin{proof}
823 We use the sequential continuity.
824 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
825 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
826 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
827 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
828 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
829 sequences).\newline
830 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
831 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
832 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
833 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
834 cell will change its state:
835 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
836
837 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
838 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
839 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
840 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
841
842 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
843 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
844 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
845 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
846 \noindent We now prove that the distance between $\left(
847 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
848 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
849 \begin{itemize}
850 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
851 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
852 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
853 \medskip
854 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
855 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
856 \begin{equation*}
857 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
858 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
859 \end{equation*}%
860 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
861 \end{itemize}
862 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
863 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
864 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
865 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
866
867 In conclusion,
868 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
869 $
870 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
871 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
872 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
873 \leqslant \varepsilon .
874 $
875 $G_{f}$ is consequently continuous.
876 \end{proof}
877
878
879 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
880 iterations. We will prove that,
881
882 \begin{theorem}
883 \label{t:chaos des general}
884  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
885 the Devaney's property of chaos.
886 \end{theorem}
887
888 Let us firstly prove the following lemma.
889
890 \begin{lemma}[Strong transitivity]
891 \label{strongTrans}
892  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
893 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
894 \end{lemma}
895
896 \begin{proof}
897  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
898 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
899 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
900 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
901 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
902 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
903 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
904 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
905 \begin{itemize}
906  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
907  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
908 \end{itemize}
909 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
910 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
911 claimed in the lemma.
912 \end{proof}
913
914 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
915
916 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
917 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
918
919 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
920 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
921 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
922 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
923 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
924
925 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
926 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
927 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
928 and $t_2\in\mathds{N}$ such
929 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
930
931 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
932 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
933 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
934 $$\tilde
935 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
936 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
937 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
938 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
939 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
940 \end{proof}
941
942
943 \begin{color}{red}
944 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
945
946 \label{The generation of pseudorandom sequence}
947
948
949 Let us now explain why we are reasonable grounds to believe that chaos 
950 can improve statistical properties.
951 We will show in this section that, when mixing defective PRNGs with
952 chaotic iterations, the result presents better statistical properties
953 (this section summarizes the work of~\cite{bfg12a:ip}).
954
955 \subsection{Details of some Existing Generators}
956
957 The list of defective PRNGs we will use 
958 as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
959
960 Firstly, the simple linear congruency generator (LCGs) will be used. 
961 It is defined by the following recurrence:
962 \begin{equation}
963 x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m
964 \label{LCG}
965 \end{equation}
966 where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and less than 
967 $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer as two (resp. three) 
968 combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
969
970 Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) will be used too, which
971 are based on a linear recurrence of order 
972 $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
973 \begin{equation}
974 x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m
975 \label{MRG}
976 \end{equation}
977 Combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experimentations.
978
979 Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
980 This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
981 \begin{equation}
982 \label{AWC}
983 \begin{array}{l}
984 x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
985 c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
986 the SWB generator, having the recurrence:
987 \begin{equation}
988 \label{SWB}
989 \begin{array}{l}
990 x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
991 c^n=\left\{
992 \begin{array}{l}
993 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
994 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
995 and the SWC generator designed by R. Couture, which is based on the following recurrence:
996 \begin{equation}
997 \label{SWC}
998 \begin{array}{l}
999 x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1000 c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1001
1002 Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1003 \begin{equation}
1004 x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k}
1005 \label{GFSR}
1006 \end{equation}
1007
1008
1009 Finally, the nonlinear inversive generator~\cite{LEcuyerS07} has been regarded too, which is:
1010
1011 \begin{equation}
1012 \label{INV}
1013 \begin{array}{l}
1014 x^n=\left\{
1015 \begin{array}{ll}
1016 (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1017 a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1018
1019
1020
1021 \begin{table}
1022 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1023 \caption{TestU01 Statistical Test}
1024 \label{TestU011}
1025 \centering
1026   \begin{tabular}{lccccc}
1027     \toprule
1028 Test name &Tests& Logistic              & XORshift      & ISAAC\\
1029 Rabbit                          &       38      &21             &14     &0       \\
1030 Alphabit                        &       17      &16             &9      &0       \\
1031 Pseudo DieHARD                  &126    &0              &2      &0      \\
1032 FIPS\_140\_2                    &16     &0              &0      &0      \\
1033 SmallCrush                      &15     &4              &5      &0       \\
1034 Crush                           &144    &95             &57     &0       \\
1035 Big Crush                       &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1036 Failures                &       &261            &146    &0       \\
1037 \bottomrule
1038   \end{tabular}
1039 \end{table}
1040
1041
1042
1043 \begin{table}
1044 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1045 \caption{TestU01 Statistical Test for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1046 \label{TestU01 for Old CI}
1047 \centering
1048   \begin{tabular}{lcccc}
1049     \toprule
1050 \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1051 &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1052 &+& +& + & + \\ 
1053 &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1054 Rabbit                                  &7      &2      &0      &0       \\
1055 Alphabit                                & 3     &0      &0      &0       \\
1056 DieHARD                         &0      &0      &0      &0      \\
1057 FIPS\_140\_2                    &0      &0      &0      &0      \\
1058 SmallCrush                              &2      &0      &0      &0       \\
1059 Crush                                   &47     &4      &0      &0       \\
1060 Big Crush                               &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1061 Failures                                &138    &9      &0      &0       \\
1062 \bottomrule
1063   \end{tabular}
1064 \end{table}
1065
1066
1067
1068
1069
1070 \subsection{Statistical tests}
1071 \label{Security analysis}
1072
1073 Three batteries of tests are reputed and usually used
1074 to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1075 number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1076 the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1077 TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1078
1079
1080
1081 \label{Results and discussion}
1082 \begin{table*}
1083 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1084 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1085 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1086 \centering
1087   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1088     \hline\hline
1089 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1090 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1091 NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1092 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1093 \end{tabular}
1094 \end{table*}
1095
1096 Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1097 results on the two firsts batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1098 in the previous section
1099 cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1100 fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1101 iterations can solve this issue.
1102 %More precisely, to
1103 %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1104 %\begin{enumerate}
1105 %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1106 %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1107 %  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1108 %\begin{equation}
1109 %\begin{array}{l}
1110 %\left\{
1111 %\begin{array}{l}
1112 %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1113 %\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}
1114 %\end{equation}
1115 %$m$ is called the \emph{functional power}.
1116 %\end{enumerate}
1117 %
1118 The obtained results are reproduced in Table
1119 \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1120 The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1121 asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1122 The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and ``New CI'' generators.
1123 Concerning the ``Xor CI PRNG'', the speed improvement makes that statistical 
1124 results are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1125
1126
1127 \begin{table*}
1128 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1129 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1130 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1131 \centering
1132   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1133     \hline
1134 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1135 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1136 Old CIPRNG\\ \hline \hline
1137 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
1138 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
1139 New CIPRNG\\ \hline \hline
1140 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
1141 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
1142 Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1143 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
1144 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
1145 \end{tabular}
1146 \end{table*}
1147
1148
1149 We have then investigate in~\cite{bfg12a:ip} if it is possible to improve
1150 the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1151 $\oplus$ operation. Results are summarized in~\ref{threshold}, showing
1152 that rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1153 using chaotic iterations on defective generators.
1154
1155 \begin{table*}
1156 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1157 \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1158 \label{threshold}
1159 \centering
1160   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1161     \hline
1162 Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1163 Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1164 \end{tabular}
1165 \end{table*}
1166
1167 Finally, the TestU01 battery as been launched on three well-known generators 
1168 (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1169 see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1170 Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1171 Old CI PRNG that has received these generators.
1172
1173
1174 Next subsection gives a concrete implementation of this Xor CI PRNG, which will 
1175 new be simply called CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1176 raise ambiguity.
1177 \end{color}
1178
1179 \subsection{Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1180 \label{sec:efficient PRNG}
1181 %
1182 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1183 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1184 %The first idea is to consider
1185 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1186 %given PRNG.
1187 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1188 %the last computed state and the current strategy.
1189 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1190 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1191 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1192 %
1193 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1194 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1195 %% are
1196 %% done.  
1197 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1198 %% binary vectors.
1199 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1200
1201 %% \begin{table}
1202 %% \begin{scriptsize}
1203 %% $$
1204 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1205 %% \hline
1206 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1207 %% \hline
1208 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1209 %% \hline
1210 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1211 %% \hline
1212
1213 %% \hline
1214 %%  \end{array}
1215 %% $$
1216 %% \end{scriptsize}
1217 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1218 %% \label{TableExemple}
1219 %% \end{table}
1220
1221
1222
1223
1224 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
1225 \begin{small}
1226 \begin{lstlisting}
1227
1228 unsigned int CIPRNG() {
1229   static unsigned int x = 123123123;
1230   unsigned long t1 = xorshift();
1231   unsigned long t2 = xor128();
1232   unsigned long t3 = xorwow();
1233   x = x^(unsigned int)t1;
1234   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1235   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1236   x = x^(unsigned int)t2;
1237   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1238   x = x^(unsigned int)t3;
1239   return x;
1240 }
1241 \end{lstlisting}
1242 \end{small}
1243
1244
1245
1246 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1247 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1248 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1249 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1250 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1251 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1252 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1253 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1254   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1255
1256 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1257 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1258 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
1259
1260 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1261 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1262
1263 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1264 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1265 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1266 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1267 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1268 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1269 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1270 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1271 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1272 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1273 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1274 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1275 called {\it kernels}.
1276
1277
1278 \subsection{Naive Version for GPU}
1279
1280  
1281 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1282 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1283 Of course,  the  three xor-like
1284 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1285 In a given thread, these parameters are
1286 randomly picked from another PRNGs. 
1287 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1288 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1289 parameters embedded into each thread.   
1290
1291 The implementation of  the three
1292 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1293 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1294 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1295 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1296 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1297
1298
1299 \begin{algorithm}
1300 \begin{small}
1301 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1302 PRNGs in global memory\;
1303 NumThreads: number of threads\;}
1304 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1305 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1306   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1307   \For{i=1 to n} {
1308     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1309     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1310   }
1311   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1312 }
1313 \end{small}
1314 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1315 \label{algo:gpu_kernel}
1316 \end{algorithm}
1317
1318
1319
1320 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1321 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1322 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1323 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1324 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1325 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1326 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1327 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1328 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1329 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1330
1331 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1332 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1333 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1334
1335 \begin{remark}
1336 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1337 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1338 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1339 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1340 for all the different nodes involved in the computation.
1341 \end{remark}
1342
1343 \subsection{Improved Version for GPU}
1344
1345 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1346 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1347 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1348 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1349 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1350 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1351 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1352 performed. 
1353
1354 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1355 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1356 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1357 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1358 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1359 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1360 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1361 bits).
1362
1363 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1364
1365 \begin{algorithm}
1366 \begin{small}
1367 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1368 in global memory\;
1369 NumThreads: Number of threads\;
1370 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1371
1372 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1373 \If{threadId is concerned} {
1374   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1375   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1376   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1377   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1378   \For{i=1 to n} {
1379     t=xor-like()\;
1380     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1381     shared\_mem[threadId]=t\;
1382     x = x\textasciicircum t\;
1383
1384     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1385   }
1386   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1387 }
1388 \end{small}
1389 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1390 version\label{IR}}
1391 \label{algo:gpu_kernel2} 
1392 \end{algorithm}
1393
1394 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1395
1396 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1397 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1398 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1399 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1400 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1401 and two values previously obtained by two other threads).
1402 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1403 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1404 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1405 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1406 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1407 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1408 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1409
1410 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1411 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1412 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1413 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1414 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1415 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1416 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1417
1418 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1419 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1420 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1421
1422 \section{Experiments}
1423 \label{sec:experiments}
1424
1425 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1426 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1427 and an
1428 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1429 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1430 All the
1431 cards have 240 cores.
1432
1433 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1434 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1435 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1436 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1437 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1438 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1439 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1440 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1441 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1442 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1443 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1444 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1445 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1446 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1447 should be of better quality.
1448 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1449 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1450
1451 \begin{figure}[htbp]
1452 \begin{center}
1453   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1454 \end{center}
1455 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1456 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1457 \end{figure}
1458
1459
1460
1461
1462
1463 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1464 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1465 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1466 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1467 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1468 reduction.
1469
1470 \begin{figure}[htbp]
1471 \begin{center}
1472   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1473 \end{center}
1474 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1475 \label{fig:time_bbs_gpu}
1476 \end{figure}
1477
1478 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1479 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1480 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1481 explained by the fact that the former  version has ``only''
1482 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1483 as it is shown in the next sections.
1484
1485
1486
1487
1488
1489
1490
1491 \section{Security Analysis}
1492 \label{sec:security analysis}
1493
1494
1495
1496 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1497 denoted by $uv$.
1498 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1499 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1500 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1501 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1502 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1503
1504 \begin{definition}
1505 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1506 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1507 large $m$'s,
1508 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1509 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1510 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1511 internal coin tosses of $D$. 
1512 \end{definition}
1513
1514 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1515 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1516 negligible probability. The interested reader is referred
1517 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1518 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1519 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1520
1521 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1522 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1523 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1524 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1525 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1526 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1527 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1528 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1529 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1530 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1531 We claim now that if this PRNG is secure,
1532 then the new one is secure too.
1533
1534 \begin{proposition}
1535 \label{cryptopreuve}
1536 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1537 PRNG too.
1538 \end{proposition}
1539
1540 \begin{proof}
1541 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1542 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1543 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1544 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1545 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1546 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1547 $kN$:
1548 \begin{enumerate}
1549 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1550 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1551 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1552   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1553 \item Return $D(z)$.
1554 \end{enumerate}
1555
1556
1557 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1558 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1559 (each $w_i$ has length $N$) to 
1560 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1561   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1562 \begin{equation}\label{PCH-1}
1563 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1564 \end{equation}
1565 where $y$ is randomly generated. 
1566 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1567 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1568 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1569 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1570 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1571 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1572 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1573 one has
1574 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1575 therefore, 
1576 \begin{equation}\label{PCH-2}
1577 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1578 \end{equation}
1579
1580 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1581 \begin{equation}\label{PCH-3}
1582 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1583 \end{equation}
1584 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1585 thus
1586 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1587 D^\prime(H(x))=D(yx),
1588 \end{equation}
1589 where $y$ is randomly generated. 
1590 It follows that 
1591
1592 \begin{equation}\label{PCH-4}
1593 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1594 \end{equation}
1595  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1596 there exists a polynomial time probabilistic
1597 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1598 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1599 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1600 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1601 \end{proof}
1602
1603
1604 \section{Cryptographical Applications}
1605
1606 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1607 \label{sec:CSGPU}
1608
1609 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1610 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1611 it simply consists  in replacing
1612 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1613 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1614 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1615 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1616 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1617
1618   
1619 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1620 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1621 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1622 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1623 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1624 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1625 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1626 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1627 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1628 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1629 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1630 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1631   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1632 the followings  modifications. 
1633 \begin{itemize}
1634 \item
1635 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1636 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1637 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1638 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1639 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1640 %This approach  adds more randomness.   
1641 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1642 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1643 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1644 \item
1645 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1646 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1647 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1648 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1649 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1650 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1651 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1652 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1653 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1654 and add 3 new bits.
1655 \item
1656 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1657 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1658 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1659 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1660 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1661 \end{itemize}
1662
1663 \begin{algorithm}
1664 \begin{small}
1665 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1666 in global memory\;
1667 NumThreads: Number of threads\;
1668 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1669 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1670 }
1671
1672 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1673 \If{threadId is concerned} {
1674   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1675   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1676   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1677   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1678   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1679   \For{i=1 to n} {
1680     t$<<$=4\;
1681     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1682     ...\;
1683     t$<<$=4\;
1684     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1685     \tcp{two new shifts}
1686     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1687     t$<<$=shift\;
1688     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1689     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1690     t$<<$=shift\;
1691     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1692     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1693     shared\_mem[threadId]=t\;
1694     x = x\textasciicircum   t\;
1695
1696     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1697   }
1698   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1699 }
1700 \end{small}
1701 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1702 \label{algo:bbs_gpu}
1703 \end{algorithm}
1704
1705 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1706 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1707 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1708 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1709 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1710 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1711 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1712 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1713 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1714 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1715   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1716 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1717 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1718 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1719 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1720 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1721 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1722
1723 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1724 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1725 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1726 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1727 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
1728 secure.
1729
1730
1731
1732 \begin{color}{red}
1733 \subsection{Practical Security Evaluation}
1734
1735 Suppose now that the PRNG will work during 
1736 $M=100$ time units, and that during this period,
1737 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1738 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1739 lifetime, the attacker can distinguish this 
1740 sequence from truly random one, with a probability
1741 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1742 We consider that $N$ has 900 bits.
1743
1744 The random process is the BBS generator, which
1745 is cryptographically secure. More precisely, it
1746 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1747 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1748 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1749 $$
1750 T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1751 $$
1752 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1753 our example), and $L(N)$ is equal to
1754 $$
1755 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln(2)^\frac{1}{3}) \times ln(N~ln 2)^\frac{2}{3}\right)
1756 $$
1757 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1758 integer.
1759
1760 A direct numerical application shows that this attacker 
1761 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1762 attack in that context.
1763
1764 \end{color}
1765
1766 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1767 \label{Blum-Goldwasser}
1768 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1769 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1770 This first approach will be further investigated in a future work.
1771
1772 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1773
1774 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
1775 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
1776 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
1777 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
1778 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
1779  reconstruction of the keystream.
1780
1781 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
1782 randomly and independently of each other, that are
1783  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
1784 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
1785
1786
1787 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
1788 \begin{enumerate}
1789 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
1790 \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 $L-1$,
1791 \begin{itemize}
1792 \item $i=0$.
1793 \item While $i \leqslant L-1$:
1794 \begin{itemize}
1795 \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 $x_i$,
1796 \item $i=i+1$,
1797 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
1798 \end{itemize}
1799 \end{itemize}
1800 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
1801 \end{enumerate}
1802
1803
1804 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
1805 \begin{enumerate}
1806 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
1807 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
1808 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
1809 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
1810 \end{enumerate}
1811
1812
1813 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
1814
1815 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
1816 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
1817 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
1818 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
1819 her new public key will be $(S^0, N)$.
1820
1821 To encrypt his message, Bob will compute
1822 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
1823 %\begin{equation}
1824 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
1825 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
1826 %%\end{equation}
1827 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
1828
1829 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
1830 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
1831 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
1832 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
1833 the inheritance of all the properties presented in this paper.
1834
1835 \section{Conclusion}
1836
1837
1838 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
1839 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
1840 chaotic according to Devaney.
1841 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
1842 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
1843 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
1844 namely the BigCrush.
1845 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
1846 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
1847 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
1848 \begin{color}{red} An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
1849 behaves chaotically, has finally been proposed. \end{color}
1850
1851 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
1852 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
1853 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
1854 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
1855 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
1856 in a simulation context or in a cryptographic one.
1857
1858
1859
1860 \bibliographystyle{plain} 
1861 \bibliography{mabase}
1862 \end{document}