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

Private GIT Repository
fldksjfq
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 %\documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage[T1]{fontenc}
6 \usepackage{fullpage}
7 \usepackage{fancybox}
8 \usepackage{amsmath}
9 \usepackage{amscd}
10 \usepackage{moreverb}
11 \usepackage{commath}
12 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
13 \usepackage{listings}
14 \usepackage[standard]{ntheorem}
15 \usepackage{algorithmic}
16 \usepackage{slashbox}
17 \usepackage{ctable}
18 \usepackage{tabularx}
19 \usepackage{multirow}
20
21 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
22 \usepackage{dsfont}
23
24 % Pour avoir des intervalles d'entiers
25 \usepackage{stmaryrd}
26
27 \usepackage{graphicx}
28 % Pour faire des sous-figures dans les figures
29 \usepackage{subfigure}
30
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
44
45 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
46 \begin{document}
47
48 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
49 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam*\\ FEMTO-ST Institute, UMR  6174 CNRS,\\ University of Franche-Comt\'{e}, Besan\c con, France\\ * Authors in alphabetic order}
50    
51
52 %\IEEEcompsoctitleabstractindextext{
53 \begin{abstract}
54 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
55 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
56 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
57 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
58 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
59 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
60 cards.
61 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
62 secure.
63 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
64
65
66 \end{abstract}
67 %}
68
69 \maketitle
70
71 %\IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
72 %\IEEEpeerreviewmaketitle
73
74
75 \section{Introduction}
76
77 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
78 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
79 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
80 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
81 generator (TRNG). 
82 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
83 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
84 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
85 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
86 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
87 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
88 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
89 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
90 achieve both speed and randomness.
91 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
92 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
93 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
94 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
95 sequence.  Or, in an equivalent formulation, he or she should not be
96 able (in practice) to predict the next bit of the generator, having the knowledge of all the 
97 binary digits that have been already released. ``Being able in practice'' refers here
98 to the possibility to achieve this attack in polynomial time, and to the exponential growth
99 of the difficulty of this challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
100
101
102 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
103 third requirement, that is to define chaotic generators.
104 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
105 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
106 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
107 and unassailable due to chaos.
108 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
109 whereas computers deal with finite precision numbers.
110 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
111 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
112 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
113 between chaos and security as it is understood in cryptography.
114 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
115
116 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
117 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
118 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
119 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
120 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
121 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
122 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
123 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
124 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
125 \emph{only if these last properties are not lost during
126 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
127 It leads to the attempts to define a 
128 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
129 or cryptographically secure.
130 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
131 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
132 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
133 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
134 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
135 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
136 twice in order to observe if all $p-$values are inside [0.01, 0.99]. In
137 fact, we observed that few $p-$values (less than ten) are sometimes
138 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
139 second run allows us to confirm that the values outside are not for
140 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
141   BigCrush} successfully and all $p-$values are at least once inside
142 [0.01, 0.99].
143 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
144 chaotic dynamical system defined by Devaney~\cite{Devaney}.
145
146 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
147 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
148 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
149 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
150 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
151 cannot.
152 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
153 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
154 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
155 is proposed.
156 Although GPU was initially designed  to accelerate
157 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
158 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
159 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
160 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
161 Such device
162 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
163 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
164 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
165 property.
166 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
167 key encryption protocol by using the proposed method.
168
169
170 {\bf Main contributions.} In this paper a new PRNG using chaotic iteration
171 is defined. From a theoretical point of view, it is proven that it has fine
172 topological chaotic properties and that it is cryptographically secured (when
173 the initial PRNG is also cryptographically secured). From a practical point of
174 view, experiments point out a very good statistical behavior. An optimized
175 original implementation of this PRNG is also proposed and experimented.
176 Pseudorandom numbers are generated at a rate of 20GSamples/s, which is faster
177 than in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09,Marsaglia2003} (and with a better
178 statistical behavior). Experiments are also provided using BBS as the initial
179 random generator. The generation speed is significantly weaker.
180 %Note also that an original qualitative comparison between topological chaotic
181 %properties and statistical tests is also proposed.
182
183
184
185
186 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
187   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
188   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
189   and on an iteration process called ``chaotic
190 iterations'' on which the post-treatment is based. 
191 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
192 %Section~\ref{The generation of pseudorandom sequence} illustrates the statistical
193 %improvement related to the chaotic iteration based post-treatment, for
194 %our previously released PRNGs and a new efficient 
195 %implementation on CPU.
196  Section~\ref{sec:efficient PRNG} %{sec:efficient PRNG
197 %  gpu}  
198  describes and evaluates theoretically new effective versions of
199 our pseudorandom generators,  in particular with a  GPU   implementation. 
200 Such generators are experimented in 
201 Section~\ref{sec:experiments}.
202 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
203 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
204 generator provided by the post-treatment.
205 A practical
206 security evaluation is also outlined in Section~\ref{sec:Practicak evaluation}.
207 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
208 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
209 in Section~\ref{sec:CSGPU} and to an improvement of the
210 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
211 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
212 summarized and intended future work is presented.
213
214
215
216
217 \section{Related work on GPU based PRNGs}
218 \label{section:related works}
219
220 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
221 literature, so that exhaustivity is impossible.
222 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
223 in this domain, from their subjective point of view. 
224 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
225 only when the information is given in the related work. 
226 A million numbers  per second will be simply written as
227 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
228
229 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
230 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
231 operations. Authors can   generate  about
232 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
233 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
234 chaos or cryptography in this document.
235
236 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
237 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
238 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
239 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
240 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
241 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
242
243
244 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
245 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
246 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
247 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
248 FPGA appears as  the  fastest  and the most
249 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
250 per joule. 
251 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
252 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
253 the results presented in this document.
254 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
255 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
256
257 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
258 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
259 other things 
260 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
261 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
262 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
263 \newline
264 \newline
265 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.
266
267 \section{Basic Recalls}
268 \label{section:BASIC RECALLS}
269
270 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
271 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
272 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
273
274
275 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
276 \label{subsec:Devaney}
277 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
278 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
279 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
280 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
281
282
283 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
284 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
285
286 \begin{definition}
287 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
288 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
289 \varnothing$.
290 \end{definition}
291
292 \begin{definition}
293 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
294 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
295 \end{definition}
296
297 \begin{definition}
298 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
299 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
300 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
301 necessarily the same period).
302 \end{definition}
303
304
305 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
306 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
307 topologically transitive.
308 \end{definition}
309
310 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
311 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
312
313 \begin{definition}
314 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
315 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
316 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
317 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
318
319 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
320 \end{definition}
321
322 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
323 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
324 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
325 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
326 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
327 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
328 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
329 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
330 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
331 possible and occur in an unpredictable way.
332
333
334
335 \subsection{Chaotic Iterations}
336 \label{sec:chaotic iterations}
337
338
339 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
340 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
341 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
342  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
343 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
344 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
345 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
346
347 \begin{definition}
348 \label{Def:chaotic iterations}
349 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
350 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
351 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
352 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
353 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
354 \begin{equation}
355 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
356 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
357 \begin{array}{ll}
358   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
359   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
360 \end{array}\right.
361 \end{equation}
362 \end{definition}
363
364 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
365 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
366 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
367 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
368 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
369 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
370 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
371 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
372
373
374 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
375 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
376
377 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
378 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
379 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
380 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
381 \begin{equation*}
382 \begin{array}{lrll}
383 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
384 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
385 \end{array}%
386 \end{equation*}%
387 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
388 Consider the phase space:
389 \begin{equation}
390 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
391 \mathds{B}^\mathsf{N},
392 \end{equation}
393 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
394 \begin{equation}
395 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
396 \end{equation}
397 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
398 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
399 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
400 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
401 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
402 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
403 \begin{equation}
404 \left\{
405 \begin{array}{l}
406 X^0 \in \mathcal{X} \\
407 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
408 \end{array}%
409 \right.
410 \end{equation}%
411
412 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
413 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
414 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
415 chaotic. 
416 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
417 (\check{S},\check{E})\in
418 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
419 \begin{equation}
420 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
421 \end{equation}
422 \noindent where
423 \begin{equation}
424 \left\{
425 \begin{array}{lll}
426 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
427 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
428 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
429 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
430 \end{array}%
431 \right.
432 \end{equation}
433
434
435 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
436 \begin{itemize}
437 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
438 their distance should increase too.
439 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
440 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
441 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
442 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
443 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
444 updated components are the same as well.
445 \end{itemize}
446 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
447 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
448 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
449 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
450 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
451 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
452 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
453 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
454
455 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
456
457 \begin{proposition}
458 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
459 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
460 \end{proposition}
461
462 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
463 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
464 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
465
466 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
467 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
468 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
469 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
470 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
471 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
472 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
473 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
474 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
475 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
476 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
477
478
479 \begin{theorem}
480 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
481 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
482 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
483 \end{theorem}
484
485 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
486 \begin{theorem}
487   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
488   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
489   matrix and $M$
490   a $n\times n$ matrix defined by 
491   $
492   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
493   if $i \neq j$ and  
494   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
495   
496   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
497   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
498   a law that tends to the uniform distribution 
499   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
500 \end{theorem} 
501
502
503 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
504 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
505 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
506 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
507 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
508 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
509 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
510 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
511 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
512
513 \section{Application to Pseudorandomness}
514 \label{sec:pseudorandom}
515
516 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
517
518 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
519 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
520 leading thus to a new PRNG that 
521 should improve the statistical properties of each
522 generator taken alone. 
523 Furthermore, the generator obtained in this way possesses various chaos properties that none of the generators used as  input present.
524
525
526
527 \begin{algorithm}[h!]
528 \begin{small}
529 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
530 ($n$ bits)}
531 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
532 $x\leftarrow x^0$\;
533 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
534 \For{$i=0,\dots,k$}
535 {
536 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
537 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
538 }
539 return $x$\;
540 \end{small}
541 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
542 \label{CI Algorithm}
543 \end{algorithm}
544
545
546
547
548 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
549 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
550 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
551 between two outputs is at least $b$
552 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
553 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
554 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
555  which must return integers
556 uniformly distributed
557 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
558 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
559 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
560 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
561 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
562 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
563 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
564 in our own generator to compute both the number of iterations between two
565 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
566
567 %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.
568
569
570 \begin{algorithm}[h!]
571 \begin{small}
572 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
573 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
574 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
575 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
576 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
577 $y\leftarrow{z}$\;
578 return $y$\;
579 \end{small}
580 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
581 \label{XORshift}
582 \end{algorithm}
583
584
585 \subsection{A ``New CI PRNG''}
586
587 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
588 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
589 In this ``New CI PRNG'', we prevent a given bit from changing twice between two outputs.
590 This new generator is designed by the following process. 
591
592 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
593 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
594 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
595 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
596 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
597 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
598 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
599 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
600 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
601 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
602
603 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
604 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
605 Such a procedure is equivalent to achieving chaotic iterations with
606 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
607 Finally, some $x^n$ are selected
608 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
609 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
610
611 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
612 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
613 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
614 This function must be chosen such that the outputs of the resulted PRNG are uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$. Function of \eqref{Formula} achieves this
615 goal (other candidates and more information can be found in ~\cite{bg10:ip}).
616
617 \begin{equation}
618 \label{Formula}
619 m^n = g(y^n)=
620 \left\{
621 \begin{array}{l}
622 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
623 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
624 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
625 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
626 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
627 \end{array}
628 \right.
629 \end{equation}
630
631 \begin{algorithm}
632 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
633 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
634 \begin{algorithmic}[1]
635 \FOR{$i=0,\dots,N$}
636 {
637 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
638 }
639 \ENDFOR
640 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
641 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
642 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
643
644 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
645 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
646     \IF{$d_S=0$}
647     {
648 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
649 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
650
651     }
652     \ELSIF{$d_S=1$}
653     {
654 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
655     }\ENDIF
656 \ENDWHILE\\
657 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
658 \STATE return $r$\;
659 \medskip
660 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
661 \label{Chaotic iteration1}
662 \end{algorithmic}
663 \end{algorithm}
664
665
666 We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic iterations 
667 implies an improvement of the statistical properties for all the
668 inputted defective generators we have investigated.
669 For instance, when considering the TestU01 battery with its 588 tests, we obtained 261 
670 failures for a PRNG based on the logistic map alone, and 
671 this number of failures falls below 138 in the Old CI(Logistic,Logistic) generator.
672 In the XORshift case (146 failures when considering it alone), the results are more amazing,
673 as the chaotic iterations post-treatment makes it fails only 8 tests. 
674 Further investigations have been systematically realized in \cite{bfg12a:ip}
675 using a large set of inputted defective PRNGs, the three most used batteries of
676 tests (DieHARD, NIST, and TestU01), and for all the versions of generators we have proposed.
677 In all situations, an obvious improvement of the statistical behavior has
678 been obtained, reinforcing the impression that chaos leads to statistical 
679 enhancement~\cite{bfg12a:ip}.
680
681 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
682
683 Instead of updating only one cell at each iteration, we now propose to choose a
684 subset of components and to update them together, for speed improvement. Such a proposition leads 
685 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
686 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
687 this algorithm can be rewritten as follows:
688
689 \begin{equation}
690 \left\{
691 \begin{array}{l}
692 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
693 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
694 \end{array}
695 \right.
696 \label{equation Oplus}
697 \end{equation}
698 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
699 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
700 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
701 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
702 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
703 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
704 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
705
706 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
707 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
708 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
709
710 \begin{equation}
711 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
712 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
713 \begin{array}{ll}
714   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
715   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
716 \end{array}\right.
717 \label{eq:generalIC}
718 \end{equation}
719 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
720 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
721 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
722 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
723 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
724 we select a subset of components to change.
725
726
727 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
728 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
729 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
730 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
731 in what follows).
732 However, proofs
733 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
734 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
735 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
736 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
737 faster, does not deflate their topological chaos properties.
738
739 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
740 \label{deuxième def}
741 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
742 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
743 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
744
745 \begin{equation}
746   x_i^n=\left\{
747 \begin{array}{ll}
748   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
749   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
750 \end{array}\right.
751 \label{general CIs}
752 \end{equation}
753
754 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
755 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
756
757 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
758 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
759 is required in order to study the topological behavior of the system.
760
761 Let us introduce the following function:
762 \begin{equation}
763 \begin{array}{cccc}
764  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
765          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
766 \end{array} 
767 \end{equation}
768 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
769
770 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
771 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
772 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
773 \begin{equation*}
774 \begin{array}{rll}
775  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
776 \end{array}%
777 \end{equation*}%
778 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
779 is the negation of the Boolean $x$.
780 Consider the phase space:
781 \begin{equation}
782 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
783 \mathds{B}^\mathsf{N},
784 \end{equation}
785 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
786 \begin{equation}
787 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...
788 \end{equation}
789 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
790 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
791 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
792 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
793 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
794 be described by the following discrete dynamical system:
795 \begin{equation}
796 \left\{
797 \begin{array}{l}
798 X^0 \in \mathcal{X} \\
799 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
800 \end{array}%
801 \right.
802 \end{equation}%
803
804 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
805 iterations. 
806
807 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
808 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
809 Let us introduce:
810 \begin{equation}
811 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
812 \label{nouveau d}
813 \end{equation}
814 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
815  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
816 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
817  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
818 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
819 %% \begin{equation}
820 %% \left\{
821 %% \begin{array}{lll}
822 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
823 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
824 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
825 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
826 %% \end{array}%
827 %% \right.
828 %% \end{equation}
829 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
830 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
831
832
833 \begin{proposition}
834 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
835 \end{proposition}
836
837 \begin{proof}
838  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
839 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
840  \begin{itemize}
841 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
842 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
843 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
844  \item $d_s$ is symmetric 
845 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
846 of the symmetric difference. 
847 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
848 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
849 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
850 inequality is obtained.
851  \end{itemize}
852 \end{proof}
853
854
855 Before being able to study the topological behavior of the general 
856 chaotic iterations, we must first establish that:
857
858 \begin{proposition}
859  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
860 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
861 \end{proposition}
862
863
864 \begin{proof}
865 We use the sequential continuity.
866 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
867 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
868 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
869 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
870 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
871 sequences).\newline
872 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
873 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
874 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
875 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
876 cell will change its state:
877 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
878
879 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
880 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
881 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
882 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
883
884 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
885 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
886 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
887 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
888 \noindent We now prove that the distance between $\left(
889 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
890 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
891 \begin{itemize}
892 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
893 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
894 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
895 \medskip
896 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
897 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
898 \begin{equation*}
899 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
900 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
901 \end{equation*}%
902 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
903 \end{itemize}
904 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
905 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
906 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
907 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
908
909 In conclusion,
910 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
911 %%TOF : ici j'ai rajouté un commentaire
912 %%TOF : ici aussi
913 $
914 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
915 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
916 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
917 \leqslant \varepsilon .
918 $
919 $G_{f}$ is consequently continuous.
920 \end{proof}
921
922
923 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
924 iterations. We will prove that,
925
926 \begin{theorem}
927 \label{t:chaos des general}
928  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
929 the Devaney's property of chaos.
930 \end{theorem}
931
932 Let us firstly prove the following lemma.
933
934 \begin{lemma}[Strong transitivity]
935 \label{strongTrans}
936  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
937 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
938 \end{lemma}
939
940 \begin{proof}
941  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
942 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
943 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
944 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
945 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
946 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
947 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
948 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
949 \begin{itemize}
950  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
951  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
952 \end{itemize}
953 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
954 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
955 claimed in the lemma.
956 \end{proof}
957
958 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
959
960 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
961 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
962
963 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
964 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
965 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
966 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
967 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
968
969 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
970 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
971 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
972 and $t_2\in\mathds{N}$ such
973 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
974
975 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
976 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
977 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
978 $$\tilde
979 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
980 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
981 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
982 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
983 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
984 \end{proof}
985
986
987 %\section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
988
989 %\label{The generation of pseudorandom sequence}
990
991
992 %Let us now explain why we have reasonable ground to believe that chaos 
993 %can improve statistical properties.
994 %We will show in this section that chaotic properties as defined in the
995 %mathematical theory of chaos are related to some statistical tests that can be found
996 %in the NIST battery. Furthermore, we will check that, when mixing defective PRNGs with
997 %chaotic iterations, the new generator presents better statistical properties
998 %(this section summarizes and extends the work of~\cite{bfg12a:ip}).
999
1000
1001
1002 %\subsection{Qualitative relations between topological properties and statistical tests}
1003
1004
1005 %There are various relations between topological properties that describe an unpredictable behavior for a discrete 
1006 %dynamical system on the one
1007 %hand, and statistical tests to check the randomness of a numerical sequence
1008 %on the other hand. These two mathematical disciplines follow a similar 
1009 %objective in case of a recurrent sequence (to characterize an intrinsically complicated behavior for a
1010 %recurrent sequence), with two different but complementary approaches.
1011 %It is true that the following illustrative links give only qualitative arguments, 
1012 %and proofs should be provided later to make such arguments irrefutable. However 
1013 %they give a first understanding of the reason why we think that chaotic properties should tend
1014 %to improve the statistical quality of PRNGs.
1015 %%
1016 %Let us now list some of these relations between topological properties defined in the mathematical
1017 %theory of chaos and tests embedded into the NIST battery. %Such relations need to be further 
1018 %%investigated, but they presently give a first illustration of a trend to search similar properties in the 
1019 %%two following fields: mathematical chaos and statistics.
1020
1021
1022 %\begin{itemize}
1023 %    \item \textbf{Regularity}. As stated in Section~\ref{subsec:Devaney}, a chaotic dynamical system must 
1024 %have an element of regularity. Depending on the chosen definition of chaos, this element can be the existence of
1025 %a dense orbit, the density of periodic points, etc. The key idea is that a dynamical system with no periodicity
1026 %is not as chaotic as a system having periodic orbits: in the first situation, we can predict something and gain a
1027 %knowledge about the behavior of the system, that is, it never enters into a loop. A similar importance for periodicity is emphasized in
1028 %the two following NIST tests~\cite{Nist10}:
1029 %    \begin{itemize}
1030 %        \item \textbf{Non-overlapping Template Matching Test}. Detect generators that produce too many occurrences of a given non-periodic (aperiodic) pattern.
1031 %        \item \textbf{Discrete Fourier Transform (Spectral) Test}. Detect periodic features (i.e., repetitive patterns that are close one to another) in the tested sequence that would indicate a deviation from the assumption of randomness.
1032 %    \end{itemize}
1033
1034 %\item \textbf{Transitivity}. This topological property previously introduced  states that the dynamical system is intrinsically complicated: it cannot be simplified into 
1035 %two subsystems that do not interact, as we can find in any neighborhood of any point another point whose orbit visits the whole phase space. 
1036 %This focus on the places visited by the orbits of the dynamical system takes various nonequivalent formulations in the mathematical theory
1037 %of chaos, namely: transitivity, strong transitivity, total transitivity, topological mixing, and so on~\cite{bg10:ij}. A similar attention 
1038 %is brought on the states visited during a random walk in the two tests below~\cite{Nist10}:
1039 %    \begin{itemize}
1040 %        \item \textbf{Random Excursions Variant Test}. Detect deviations from the expected number of visits to various states in the random walk.
1041 %        \item \textbf{Random Excursions Test}. Determine if the number of visits to a particular state within a cycle deviates from what one would expect for a random sequence.
1042 %    \end{itemize}
1043
1044 %\item \textbf{Chaos according to Li and Yorke}. Two points of the phase space $(x,y)$ define a couple of Li-Yorke when $\limsup_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))>0$ et $\liminf_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))=0$, meaning that their orbits always oscillate as the iterations pass. When a system is compact and contains an uncountable set of such points, it is claimed as chaotic according
1045 %to Li-Yorke~\cite{Li75,Ruette2001}. A similar property is regarded in the following NIST test~\cite{Nist10}.
1046 %    \begin{itemize}
1047 %        \item \textbf{Runs Test}. To determine whether the number of runs of ones and zeros of various lengths is as expected for a random sequence. In particular, this test determines whether the oscillation between such zeros and ones is too fast or too slow.
1048 %    \end{itemize}
1049 %    \item \textbf{Topological entropy}. The desire to formulate an equivalency of the thermodynamics entropy
1050 %has emerged both in the topological and statistical fields. Once again, a similar objective has led to two different
1051 %rewritting of an entropy based disorder: the famous Shannon definition of entropy is approximated in the statistical approach, 
1052 %whereas topological entropy is defined as follows:
1053 %$x,y \in \mathcal{X}$ are $\varepsilon-$\emph{separated in time $n$} if there exists $k \leqslant n$ such that $d\left(f^{(k)}(x),f^{(k)}(y)\right)>\varepsilon$. Then $(n,\varepsilon)-$separated sets are sets of points that are all $\varepsilon-$separated in time $n$, which
1054 %leads to the definition of $s_n(\varepsilon,Y)$, being the maximal cardinality of all $(n,\varepsilon)-$separated sets. Using these notations, 
1055 %the topological entropy is defined as follows: $$h_{top}(\mathcal{X},f)  = \displaystyle{\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \Big[ \limsup_{n \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \log s_n(\varepsilon,\mathcal{X})\Big]}.$$
1056 %This value measures the average exponential growth of the number of distinguishable orbit segments. 
1057 %In this sense, it measures the complexity of the topological dynamical system, whereas 
1058 %the Shannon approach comes to mind when defining the following test~\cite{Nist10}:
1059 %    \begin{itemize}
1060 %\item \textbf{Approximate Entropy Test}. Compare the frequency of the overlapping blocks of two consecutive/adjacent lengths ($m$ and $m+1$) against the expected result for a random sequence.
1061 %    \end{itemize}
1062
1063 %    \item \textbf{Non-linearity, complexity}. Finally, let us remark that non-linearity and complexity are 
1064 %not only sought in general to obtain chaos, but they are also required for randomness, as illustrated by the two tests below~\cite{Nist10}.
1065 %    \begin{itemize}
1066 %\item \textbf{Binary Matrix Rank Test}. Check for linear dependence among fixed length substrings of the original sequence.
1067 %\item \textbf{Linear Complexity Test}. Determine whether or not the sequence is complex enough to be considered random.
1068 %      \end{itemize}
1069 %\end{itemize}
1070
1071
1072 %We have proven in our previous works~\cite{guyeux12:bc} that chaotic iterations satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques} are, among other
1073 %things, strongly transitive, topologically mixing, chaotic as defined by Li and Yorke,
1074 %and that they have a topological entropy and an exponent of Lyapunov both equal to $ln(\mathsf{N})$,
1075 %where $\mathsf{N}$ is the size of the iterated vector.
1076 %These topological properties make that we are ground to believe that a generator based on chaotic
1077 %iterations will probably be able to pass all the existing statistical batteries for pseudorandomness like
1078 %the NIST one. The following subsections, in which we prove that defective generators have their
1079 %statistical properties improved by chaotic iterations, show that such an assumption is true.
1080
1081 %\subsection{Details of some Existing Generators}
1082
1083 %The list of defective PRNGs we will use 
1084 %as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
1085
1086 %Firstly, the simple linear congruency generators (LCGs) will be used. 
1087 %They are defined by the following recurrence:
1088 %\begin{equation}
1089 %x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m,
1090 %\label{LCG}
1091 %\end{equation}
1092 %where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and inferior to 
1093 %$m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer to two (resp. three) 
1094 %combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
1095
1096 %Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) which will be used,
1097 %are based on a linear recurrence of order 
1098 %$k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
1099 %\begin{equation}
1100 %x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m .
1101 %\label{MRG}
1102 %\end{equation}
1103 %The combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experiments.
1104
1105 %Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
1106 %This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
1107 %\begin{equation}
1108 %\label{AWC}
1109 %\begin{array}{l}
1110 %x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
1111 %c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
1112 %the SWB generator, having the recurrence:
1113 %\begin{equation}
1114 %\label{SWB}
1115 %\begin{array}{l}
1116 %x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
1117 %c^n=\left\{
1118 %\begin{array}{l}
1119 %1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
1120 %0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1121 %and the SWC generator, which is based on the following recurrence:
1122 %\begin{equation}
1123 %\label{SWC}
1124 %\begin{array}{l}
1125 %x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1126 %c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1127
1128 %Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1129 %\begin{equation}
1130 %x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k} .
1131 %\label{GFSR}
1132 %\end{equation}
1133
1134
1135 %Finally, the nonlinear inversive (INV) generator~\cite{LEcuyerS07} has been studied, which is:
1136
1137 %\begin{equation}
1138 %\label{INV}
1139 %\begin{array}{l}
1140 %x^n=\left\{
1141 %\begin{array}{ll}
1142 %(a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1143 %a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1144
1145
1146
1147 %\begin{table}
1148 %%\renewcommand{\arraystretch}{1}
1149 %\caption{TestU01 Statistical Test Failures}
1150 %\label{TestU011}
1151 %\centering
1152 %  \begin{tabular}{lccccc}
1153 %    \toprule
1154 %Test name &Tests& Logistic             & XORshift      & ISAAC\\
1155 %Rabbit                                 &       38      &21             &14     &0       \\
1156 %Alphabit                       &       17      &16             &9      &0       \\
1157 %Pseudo DieHARD                         &126    &0              &2      &0      \\
1158 %FIPS\_140\_2                   &16     &0              &0      &0      \\
1159 %SmallCrush                     &15     &4              &5      &0       \\
1160 %Crush                          &144    &95             &57     &0       \\
1161 %Big Crush                      &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1162 %Failures               &       &261            &146    &0       \\
1163 %\bottomrule
1164 %  \end{tabular}
1165 %\end{table}
1166
1167
1168
1169 %\begin{table}
1170 %%\renewcommand{\arraystretch}{1}
1171 %\caption{TestU01 Statistical Test Failures for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1172 %\label{TestU01 for Old CI}
1173 %\centering
1174 %  \begin{tabular}{lcccc}
1175 %    \toprule
1176 %\multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1177 %&Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1178 %&+& +& + & + \\ 
1179 %&Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1180 %Rabbit                                         &7      &2      &0      &0       \\
1181 %Alphabit                               & 3     &0      &0      &0       \\
1182 %DieHARD                        &0      &0      &0      &0      \\
1183 %FIPS\_140\_2                   &0      &0      &0      &0      \\
1184 %SmallCrush                             &2      &0      &0      &0       \\
1185 %Crush                                  &47     &4      &0      &0       \\
1186 %Big Crush                              &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1187 %Failures                               &138    &9      &0      &0       \\
1188 %\bottomrule
1189 %  \end{tabular}
1190 %\end{table}
1191
1192
1193
1194
1195
1196 %\subsection{Statistical tests}
1197 %\label{Security analysis}
1198
1199 %Three batteries of tests are reputed and regularly used
1200 %to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1201 %number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1202 %the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1203 %TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1204
1205
1206
1207 %\label{Results and discussion}
1208 %\begin{table*}
1209 %%\renewcommand{\arraystretch}{1}
1210 %\caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1211 %\label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1212 %\centering
1213 %  \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1214 %    \hline\hline
1215 %Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1216 %\backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1217 %NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1218 %DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1219 %\end{tabular}
1220 %\end{table*}
1221
1222 %Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1223 %results on the two first batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1224 %in the previous section
1225 %cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1226 %fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1227 %iterations can solve this issue.
1228 %%More precisely, to
1229 %%illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1230 %%\begin{enumerate}
1231 %%  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1232 %%  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1233 %%  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1234 %%\begin{equation}
1235 %%\begin{array}{l}
1236 %%\left\{
1237 %%\begin{array}{l}
1238 %%x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1239 %%\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}
1240 %%\end{equation}
1241 %%$m$ is called the \emph{functional power}.
1242 %%\end{enumerate}
1243 %%
1244 %The obtained results are reproduced in Table
1245 %\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1246 %The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1247 %asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1248 %The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and the ``New CI'' generators.
1249 %Concerning the ``Xor CI PRNG'', the score is less spectacular. Because of a large speed improvement, the statistics
1250 % are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1251 %However 8 tests have been improved (with no deflation for the other results).
1252
1253
1254 %\begin{table*}
1255 %%\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1256 %\caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1257 %\label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1258 %\centering
1259 %  \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1260 %    \hline
1261 %Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1262 %\backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1263 %Old CIPRNG\\ \hline \hline
1264 %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
1265 %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
1266 %New CIPRNG\\ \hline \hline
1267 %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
1268 %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
1269 %Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1270 %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
1271 %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
1272 %\end{tabular}
1273 %\end{table*}
1274
1275
1276 %We have then investigated in~\cite{bfg12a:ip} if it were possible to improve
1277 %the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1278 %$\oplus$ operation. Results are summarized in Table~\ref{threshold}, illustrating
1279 %the progressive increasing effects of chaotic iterations, when giving time to chaos to get settled in.
1280 %Thus rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1281 %using chaotic iterations on defective generators.
1282
1283 %\begin{table*}
1284 %%\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1285 %\caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1286 %\label{threshold}
1287 %\centering
1288 %  \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1289 %    \hline
1290 %Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1291 %Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1292 %\end{tabular}
1293 %\end{table*}
1294
1295 %Finally, the TestU01 battery has been launched on three well-known generators 
1296 %(a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1297 %see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1298 %Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1299 %Old CI PRNG that has received these generators.
1300 %The obvious improvement speaks for itself, and together with the other
1301 %results recalled in this section, it reinforces the opinion that a strong
1302 %correlation between topological properties and statistical behavior exists.
1303
1304
1305 %The next subsection will now give a concrete original implementation of the Xor CI PRNG, the
1306 %fastest generator in the chaotic iteration based family. In the remainder,
1307 %this generator will be simply referred to as CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1308 %raise ambiguity.
1309
1310
1311 \section{Toward Efficiency and Improvement for CI PRNG}
1312 \label{sec:efficient PRNG}
1313
1314 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1315 %
1316 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1317 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1318 %The first idea is to consider
1319 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1320 %given PRNG.
1321 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1322 %the last computed state and the current strategy.
1323 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1324 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1325 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1326 %
1327 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1328 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1329 %% are
1330 %% done.  
1331 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1332 %% binary vectors.
1333 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1334
1335 %% \begin{table}
1336 %% \begin{scriptsize}
1337 %% $$
1338 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1339 %% \hline
1340 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1341 %% \hline
1342 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1343 %% \hline
1344 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1345 %% \hline
1346
1347 %% \hline
1348 %%  \end{array}
1349 %% $$
1350 %% \end{scriptsize}
1351 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1352 %% \label{TableExemple}
1353 %% \end{table}
1354
1355
1356
1357
1358 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
1359 \begin{small}
1360 \begin{lstlisting}
1361
1362 unsigned int CIPRNG() {
1363   static unsigned int x = 123123123;
1364   unsigned long t1 = xorshift();
1365   unsigned long t2 = xor128();
1366   unsigned long t3 = xorwow();
1367   x = x^(unsigned int)t1;
1368   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1369   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1370   x = x^(unsigned int)t2;
1371   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1372   x = x^(unsigned int)t3;
1373   return x;
1374 }
1375 \end{lstlisting}
1376 \end{small}
1377
1378
1379
1380 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1381 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1382 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1383 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1384 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1385 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1386 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1387 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1388   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1389
1390 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1391 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1392 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
1393 At this point, we thus
1394 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
1395 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
1396 this fast generator cannot be proven as secure.
1397
1398
1399
1400 \subsection{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1401 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1402
1403 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1404 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1405 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1406 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1407 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1408 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1409 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1410 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1411 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1412 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1413 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1414 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1415 called {\it kernels}.
1416
1417
1418 \subsection{Naive Version for GPU}
1419
1420  
1421 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1422 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1423 Of course,  the  three xor-like
1424 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1425 In a given thread, these parameters are
1426 randomly picked from another PRNGs. 
1427 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1428 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1429 parameters embedded into each thread.   
1430
1431 The implementation of  the three
1432 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1433 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1434 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1435 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1436 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1437
1438
1439 \begin{algorithm}
1440 \begin{small}
1441 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1442 PRNGs in global memory\;
1443 NumThreads: number of threads\;}
1444 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1445 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1446   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1447   \For{i=1 to n} {
1448     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1449     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1450   }
1451   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1452 }
1453 \end{small}
1454 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1455 \label{algo:gpu_kernel}
1456 \end{algorithm}
1457
1458
1459
1460 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1461 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1462 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1463 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1464 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1465 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1466 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1467 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1468 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1469 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1470
1471 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1472 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1473 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1474
1475 \begin{remark}
1476 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1477 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1478 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1479 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1480 for all the different nodes involved in the computation.
1481 \end{remark}
1482
1483 \subsection{Improved Version for GPU}
1484
1485 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1486 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1487 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1488 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1489 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1490 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1491 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1492 performed. 
1493
1494 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1495 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1496 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1497 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1498 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1499 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1500 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1501 bits).
1502
1503 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1504
1505 \begin{algorithm}
1506 \begin{small}
1507 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1508 in global memory\;
1509 NumThreads: Number of threads\;
1510 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1511
1512 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1513 \If{threadId is concerned} {
1514   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1515   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1516   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1517   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1518   \For{i=1 to n} {
1519     t=xor-like()\;
1520     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1521     shared\_mem[threadId]=t\;
1522     x = x\textasciicircum t\;
1523
1524     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1525   }
1526   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1527 }
1528 \end{small}
1529 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1530 version\label{IR}}
1531 \label{algo:gpu_kernel2} 
1532 \end{algorithm}
1533
1534 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
1535
1536 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1537 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1538 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1539 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1540 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1541 and two values previously obtained by two other threads).
1542 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1543 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1544 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1545 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1546 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1547 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1548 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1549
1550 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1551 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1552 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1553 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1554 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1555 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1556 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1557
1558 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1559 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1560 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1561
1562 \section{Experiments}
1563 \label{sec:experiments}
1564
1565 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1566 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1567 and an
1568 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1569 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1570 All the
1571 cards have 240 cores.
1572
1573 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1574 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1575 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1576 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1577 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1578 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1579 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1580 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1581 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1582 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1583 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1584 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1585 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1586 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1587 should be of better quality.
1588 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1589 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1590
1591 \begin{figure}[htbp]
1592 \begin{center}
1593   \includegraphics[scale=0.7]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1594 \end{center}
1595 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1596 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1597 \end{figure}
1598
1599
1600
1601
1602
1603 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1604 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1605 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1606 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1607 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1608 reduction.
1609
1610 \begin{figure}[htbp]
1611 \begin{center}
1612   \includegraphics[scale=0.7]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1613 \end{center}
1614 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1615 \label{fig:time_bbs_gpu}
1616 \end{figure}
1617
1618 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1619 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1620 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1621 explained by the fact that the former  version has ``only''
1622 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1623 as it is shown in the next sections.
1624
1625
1626
1627
1628
1629
1630
1631 \section{Security Analysis}
1632
1633
1634 This section is dedicated to the security analysis of the
1635   proposed PRNGs, both from a theoretical and from a practical point of view.
1636
1637 \subsection{Theoretical Proof of Security}
1638 \label{sec:security analysis}
1639
1640 The standard definition
1641   of {\it indistinguishability} used is the classical one as defined for
1642   instance in~\cite[chapter~3]{Goldreich}. 
1643   This property shows that predicting the future results of the PRNG
1644   cannot be done in a reasonable time compared to the generation time. It is important to emphasize that this
1645   is a relative notion between breaking time and the sizes of the
1646   keys/seeds. Of course, if small keys or seeds are chosen, the system can
1647   be broken in practice. But it also means that if the keys/seeds are large
1648   enough, the system is secured.
1649 As a complement, an example of a concrete practical evaluation of security
1650 is outlined in the next subsection.
1651
1652 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1653 denoted by $uv$.
1654 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1655 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1656 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1657 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1658 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1659
1660 \begin{definition}
1661 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1662 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1663 large $m$'s,
1664 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1665 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1666 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1667 internal coin tosses of $D$. 
1668 \end{definition}
1669
1670 Intuitively,  it means  that  there is  no  polynomial time  algorithm that  can
1671 distinguish a  perfect uniform random generator  from $G$ with  a non negligible
1672 probability.   An equivalent  formulation of  this well-known  security property
1673 means that  it is  possible \emph{in practice}  to predict  the next bit  of the
1674 generator, knowing all  the previously produced ones.  The  interested reader is
1675 referred to~\cite[chapter~3]{Goldreich}  for more  information. Note that  it is
1676 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial function
1677 $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1678
1679 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1680 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1681 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1682 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1683 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1684 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1685 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1686 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1687 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1688 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1689 We claim now that if this PRNG is secure,
1690 then the new one is secure too.
1691
1692 \begin{proposition}
1693 \label{cryptopreuve}
1694 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1695 PRNG too.
1696 \end{proposition}
1697
1698 \begin{proof}
1699 The proposition is proven by contraposition. Assume that $X$ is not
1700 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1701 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1702 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1703 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1704 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1705 $kN$:
1706 \begin{enumerate}
1707 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1708 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1709 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1710   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1711 \item Return $D(z)$.
1712 \end{enumerate}
1713
1714
1715 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1716 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1717 (each $w_i$ has length $N$) to 
1718 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1719   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1720 \begin{equation}\label{PCH-1}
1721 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1722 \end{equation}
1723 where $y$ is randomly generated. 
1724 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1725 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1726 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1727 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1728 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1729 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1730 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1731 one has
1732 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1733 therefore, 
1734 \begin{equation}\label{PCH-2}
1735 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1736 \end{equation}
1737
1738 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1739 \begin{equation}\label{PCH-3}
1740 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1741 \end{equation}
1742 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1743 thus
1744 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1745 D^\prime(H(x))=D(yx),
1746 \end{equation}
1747 where $y$ is randomly generated. 
1748 It follows that 
1749
1750 \begin{equation}\label{PCH-4}
1751 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1752 \end{equation}
1753  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1754 there exists a polynomial time probabilistic
1755 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1756 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1757 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1758 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1759 \end{proof}
1760
1761
1762
1763 \subsection{Practical Security Evaluation}
1764 \label{sec:Practicak evaluation}
1765
1766 Pseudorandom generators based on Eq.~\eqref{equation Oplus} are thus cryptographically secure when
1767 they are XORed with an already cryptographically
1768 secure PRNG. But, as stated previously,
1769 such a property does not mean that, whatever the
1770 key size, no attacker can predict the next bit
1771 knowing all the previously released ones.
1772 However, given a key size, it is possible to 
1773 measure in practice the minimum duration needed
1774 for an attacker to break a cryptographically
1775 secure PRNG, if we know the power of his/her
1776 machines. Such a concrete security evaluation 
1777 is related to the $(T,\varepsilon)-$security
1778 notion, which is recalled and evaluated in what 
1779 follows, for the sake of completeness.
1780
1781 Let us firstly recall that,
1782 \begin{definition}
1783 Let $\mathcal{D} : \mathds{B}^M \longrightarrow \mathds{B}$ be a probabilistic algorithm that runs
1784 in time $T$. 
1785 Let $\varepsilon > 0$. 
1786 $\mathcal{D}$ is called a $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on pseudorandom
1787 generator $G$ if
1788
1789 $$\left| Pr[\mathcal{D}(G(k)) = 1 \mid k \in_R \{0,1\}^\ell ]\right. - \left. Pr[\mathcal{D}(s) = 1 \mid s \in_R \mathds{B}^M ]\right| \geqslant \varepsilon,$$
1790 \noindent where the probability is taken over the internal coin flips of $\mathcal{D}$, and the notation
1791 ``$\in_R$'' indicates the process of selecting an element at random and uniformly over the
1792 corresponding set.
1793 \end{definition}
1794
1795 Let us recall that the running time of a probabilistic algorithm is defined to be the
1796 maximum of the expected number of steps needed to produce an output, maximized
1797 over all inputs; the expected number is averaged over all coin flips made by the algorithm~\cite{Knuth97}.
1798 We are now able to define the notion of cryptographically secure PRNGs:
1799
1800 \begin{definition}
1801 A pseudorandom generator is $(T,\varepsilon)-$secure if there exists no $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on this pseudorandom generator.
1802 \end{definition}
1803
1804
1805
1806
1807
1808
1809
1810 Suppose now that the PRNG of Eq.~\eqref{equation Oplus} will work during 
1811 $M=100$ time units, and that during this period,
1812 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1813 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1814 lifetime, the attacker can distinguish this 
1815 sequence from a truly random one, with a probability
1816 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1817 We consider that $N$ has 900 bits.
1818
1819 Predicting the next generated bit knowing all the
1820 previously released ones by Eq.~\eqref{equation Oplus} is obviously equivalent to predicting the
1821 next bit in the BBS generator, which
1822 is cryptographically secure. More precisely, it
1823 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1824 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1825 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1826 \begin{equation}
1827 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)
1828 \label{mesureConcrete}
1829 \end{equation}
1830 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1831 our example), and $L(N)$ is equal to
1832 $$
1833 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln~ 2)^\frac{1}{3} \times (ln(N~ln~  2))^\frac{2}{3}\right)
1834 $$
1835 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1836 integer.
1837
1838
1839
1840
1841 A direct numerical application shows that this attacker 
1842 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1843 attack in that context.
1844
1845
1846
1847 \section{Cryptographical Applications}
1848
1849 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1850 \label{sec:CSGPU}
1851
1852 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1853 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1854 it simply consists  in replacing
1855 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1856 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1857 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1858 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1859 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1860
1861   
1862 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1863 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1864 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1865 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1866 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1867 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1868 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1869 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1870 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1871 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1872 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1873 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1874   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1875 the followings  modifications. 
1876 \begin{itemize}
1877 \item
1878 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1879 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1880 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1881 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1882 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1883 %This approach  adds more randomness.   
1884 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1885 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1886 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1887 \item
1888 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1889 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1890 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1891 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1892 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1893 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1894 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1895 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1896 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1897 and add 3 new bits.
1898 \item
1899 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1900 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1901 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1902 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1903 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1904 \end{itemize}
1905
1906 \begin{algorithm}
1907 \begin{small}
1908 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1909 in global memory\;
1910 NumThreads: Number of threads\;
1911 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1912 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1913 }
1914
1915 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1916 \If{threadId is concerned} {
1917   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1918   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1919   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1920   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1921   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1922   \For{i=1 to n} {
1923     t$<<$=4\;
1924     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1925     ...\;
1926     t$<<$=4\;
1927     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1928     \tcp{two new shifts}
1929     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1930     t$<<$=shift\;
1931     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1932     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1933     t$<<$=shift\;
1934     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1935     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1936     shared\_mem[threadId]=t\;
1937     x = x\textasciicircum   t\;
1938
1939     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1940   }
1941   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1942 }
1943 \end{small}
1944 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1945 \label{algo:bbs_gpu}
1946 \end{algorithm}
1947
1948 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1949 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1950 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1951 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1952 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1953 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1954 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1955 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1956 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1957 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1958   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1959 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1960 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1961 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1962 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1963 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1964 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1965
1966 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1967 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1968 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1969 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1970 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is 
1971 cryptographically secure.
1972
1973 As stated before, even if the proposed PRNG is cryptocaphically
1974 secure, it does not mean that such a generator
1975 can be used as described here when attacks are
1976 awaited. The problem is to determine the minimum 
1977 time required for an attacker, with a given 
1978 computational power, to predict under a probability
1979 lower than 0.5 the $n+1$th bit, knowing the $n$
1980 previous ones. The proposed GPU generator will be
1981 useful in a security context, at least in some 
1982 situations where a secret protected by a pseudorandom
1983 keystream is rapidly obsolete, if this time to 
1984 predict the next bit is large enough when compared
1985 to both the generation and transmission times.
1986 It is true that the prime numbers used in the last
1987 section are very small compared to up-to-date 
1988 security recommendations. However the attacker has not
1989 access to each BBS, but to the output produced 
1990 by Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, which is far
1991 more complicated than a simple BBS. Indeed, to
1992 determine if this cryptographically secure PRNG
1993 on GPU can be useful in security context with the 
1994 proposed parameters, or if it is only a very fast
1995 and statistically perfect generator on GPU, its
1996 $(T,\varepsilon)-$security must be determined, and
1997 a formulation similar to Eq.\eqref{mesureConcrete}
1998 must be established. Authors
1999 hope to achieve this difficult task in a future
2000 work.
2001
2002
2003 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
2004 \label{Blum-Goldwasser}
2005 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
2006 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
2007 This first approach will be further investigated in a future work.
2008
2009 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
2010
2011 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
2012 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
2013 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
2014 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
2015 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
2016  reconstruction of the keystream.
2017
2018 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
2019 randomly and independently of each other, that are
2020  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
2021 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
2022
2023
2024 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
2025 \begin{enumerate}
2026 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
2027 \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 $L-1$,
2028 \begin{itemize}
2029 \item $i=0$.
2030 \item While $i \leqslant L-1$:
2031 \begin{itemize}
2032 \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 $x_i$,
2033 \item $i=i+1$,
2034 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
2035 \end{itemize}
2036 \end{itemize}
2037 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
2038 \end{enumerate}
2039
2040
2041 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
2042 \begin{enumerate}
2043 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
2044 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
2045 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
2046 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
2047 \end{enumerate}
2048
2049
2050 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
2051
2052 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
2053 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
2054 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
2055 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
2056 her new public key will be $(S^0, N)$.
2057
2058 To encrypt his message, Bob will compute
2059 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
2060 \begin{equation*}
2061 c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.
2062  \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)
2063 \end{equation*}
2064 instead of $$\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right).$$ 
2065
2066 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
2067 $$\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right).$$
2068 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
2069 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
2070 the inheritance of all the properties presented in this paper.
2071
2072 \section{Conclusion}
2073
2074
2075 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
2076 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
2077 chaotic according to Devaney.
2078 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
2079 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
2080 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
2081 namely the BigCrush.
2082 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
2083 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
2084 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
2085 An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
2086 behave chaotically, has finally been proposed. 
2087
2088 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
2089 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
2090 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
2091 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
2092 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
2093 in a simulation context or in a cryptographic one.
2094
2095
2096
2097 \bibliographystyle{plain} 
2098 \bibliography{mabase}
2099 \end{document}