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

Private GIT Repository
f769cfb0e2b1511e9d0a6acdf7e984f27fe5ad61
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 \documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[T1]{fontenc}
5 \usepackage{fullpage}
6 \usepackage{fancybox}
7 \usepackage{amsmath}
8 \usepackage{amscd}
9 \usepackage{moreverb}
10 \usepackage{commath}
11 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
12 \usepackage{listings}
13 \usepackage[standard]{ntheorem}
14 \usepackage{algorithmic}
15 \usepackage{slashbox}
16 \usepackage{ctable}
17 \usepackage{tabularx}
18 \usepackage{multirow}
19
20 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
21 \usepackage{dsfont}
22
23 % Pour avoir des intervalles d'entiers
24 \usepackage{stmaryrd}
25
26 \usepackage{graphicx}
27 % Pour faire des sous-figures dans les figures
28 \usepackage{subfigure}
29
30 \usepackage{color}
31
32 \newtheorem{notation}{Notation}
33
34 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
35 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
36 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
37 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
38 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
39 \let\sur=\overline
40
41 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
42
43
44 \newcommand{\PCH}[1]{\begin{color}{blue}#1\end{color}}
45
46 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
47 \begin{document}
48
49 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
50 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
51    
52
53 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
54 \begin{abstract}
55 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
56 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
57 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
58 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
59 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
60 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
61 cards.
62 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
63 secure.
64 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
65
66
67 \end{abstract}
68 }
69
70 \maketitle
71
72 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
73 \IEEEpeerreviewmaketitle
74
75
76 \section{Introduction}
77
78 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
79 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
80 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
81 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
82 generator (TRNG). 
83 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
84 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
85 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
86 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
87 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
88 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
89 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
90 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
91 achieve both speed and randomness.
92 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
93 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
94 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
95 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
96 sequence. \begin{color}{red} However, in an equivalent formulation, he or she should not be
97 able (in practice) to predict the next bit of the generator, having the knowledge of all the 
98 binary digits that have been already released. ``Being able in practice'' refers here
99 to the possibility to achieve this attack in polynomial time, and to the exponential growth
100 of the difficulty of this challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
101 \end{color}
102
103 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
104 third requirement, that is to define chaotic generators.
105 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
106 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
107 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
108 and unassailable due to chaos.
109 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
110 whereas computers deal with finite precision numbers.
111 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
112 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
113 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
114 between chaos and security as it is understood in cryptography.
115 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
116
117 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
118 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
119 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
120 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
121 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
122 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
123 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
124 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
125 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
126 \emph{only if these last properties are not lost during
127 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
128 It leads to the attempts to define a 
129 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
130 or cryptographically secure.
131 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
132 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
133 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
134 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
135 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
136 \begin{color}{red}
137 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
138 twice in order to observe if all $p-$values are inside [0.01, 0.99]. In
139 fact, we observed that few $p-$values (less than ten) are sometimes
140 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
141 second run allows us to confirm that the values outside are not for
142 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
143   BigCrush} successfully and all $p-$values are at least once inside
144 [0.01, 0.99].
145 \end{color}
146 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
147 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
148
149 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
150 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
151 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
152 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
153 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
154 cannot.
155 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
156 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
157 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
158 is proposed.
159 Although GPU was initially designed  to accelerate
160 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
161 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
162 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
163 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
164 Such device
165 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
166 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
167 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
168 property.
169 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
170 key encryption protocol by using the proposed method.
171
172
173 \PCH{
174 {\bf Main contributions.} In this paper a new PRNG using chaotic iteration
175 is defined. From a theoretical point of view, it is proven that it has fine
176 topological chaotic properties and that it is cryptographically secured (when
177 the initial PRNG is also cryptographically secured). From a practical point of
178 view, experiments point out a very good statistical behavior. An optimized
179 original implementation of this PRNG is also proposed and experimented.
180 Pseudorandom numbers are generated at a rate of 20GSamples/s, which is faster
181 than in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09,Marsaglia2003} (and with a better
182 statistical behavior). Experiments are also provided using BBS as the initial
183 random generator. The generation speed is significantly weaker.
184 Note also that an original qualitative comparison between topological chaotic
185 properties and statistical test is also proposed.
186 }
187
188
189
190 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
191   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
192   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
193   and on an iteration process called ``chaotic
194 iterations'' on which the post-treatment is based. 
195 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
196 \begin{color}{red}
197 Section~\ref{The generation of pseudorandom sequence} illustrates the statistical
198 improvement related to the chaotic iteration based post-treatment, for
199 our previously released PRNGs and a new efficient 
200 implementation on CPU.
201 \end{color}
202  Section~\ref{sec:efficient PRNG
203   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
204 Such generators are experimented in 
205 Section~\ref{sec:experiments}.
206 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
207 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
208 generator provided by the post-treatment.
209 \begin{color}{red} A practical
210 security evaluation is also outlined in Section~\ref{sec:Practicak evaluation}.\end{color}
211 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
212 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
213 in Section~\ref{sec:CSGPU} and to an improvement of the
214 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
215 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
216 summarized and intended future work is presented.
217
218
219
220
221 \section{Related work on GPU based PRNGs}
222 \label{section:related works}
223
224 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
225 literature, so that exhaustivity is impossible.
226 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
227 in this domain, from their subjective point of view. 
228 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
229 only when the information is given in the related work. 
230 A million numbers  per second will be simply written as
231 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
232
233 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
234 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
235 operations. Authors can   generate  about
236 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
237 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
238 chaos or cryptography in this document.
239
240 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
241 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
242 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
243 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
244 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
245 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
246
247
248 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
249 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
250 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
251 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
252 FPGA appears as  the  fastest  and the most
253 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
254 per joule. 
255 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
256 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
257 the results presented in this document.
258 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
259 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
260
261 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
262 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
263 other things 
264 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
265 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
266 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
267 \newline
268 \newline
269 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.
270
271 \section{Basic Recalls}
272 \label{section:BASIC RECALLS}
273
274 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
275 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
276 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
277
278
279 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
280 \label{subsec:Devaney}
281 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
282 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
283 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
284 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
285
286
287 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
288 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
289
290 \begin{definition}
291 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
292 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
293 \varnothing$.
294 \end{definition}
295
296 \begin{definition}
297 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
298 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
299 \end{definition}
300
301 \begin{definition}
302 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
303 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
304 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
305 necessarily the same period).
306 \end{definition}
307
308
309 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
310 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
311 topologically transitive.
312 \end{definition}
313
314 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
315 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
316
317 \begin{definition}
318 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
319 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
320 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
321 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
322
323 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
324 \end{definition}
325
326 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
327 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
328 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
329 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
330 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
331 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
332 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
333 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
334 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
335 possible and occur in an unpredictable way.
336
337
338
339 \subsection{Chaotic Iterations}
340 \label{sec:chaotic iterations}
341
342
343 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
344 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
345 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
346  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
347 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
348 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
349 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
350
351 \begin{definition}
352 \label{Def:chaotic iterations}
353 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
354 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
355 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
356 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
357 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
358 \begin{equation}
359 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
360 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
361 \begin{array}{ll}
362   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
363   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
364 \end{array}\right.
365 \end{equation}
366 \end{definition}
367
368 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
369 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
370 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
371 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
372 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
373 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
374 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
375 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
376
377
378 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
379 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
380
381 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
382 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
383 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
384 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
385 \begin{equation*}
386 \begin{array}{lrll}
387 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
388 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
389 \end{array}%
390 \end{equation*}%
391 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
392 Consider the phase space:
393 \begin{equation}
394 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
395 \mathds{B}^\mathsf{N},
396 \end{equation}
397 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
398 \begin{equation}
399 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
400 \end{equation}
401 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
402 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
403 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
404 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
405 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
406 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
407 \begin{equation}
408 \left\{
409 \begin{array}{l}
410 X^0 \in \mathcal{X} \\
411 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
412 \end{array}%
413 \right.
414 \end{equation}%
415
416 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
417 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
418 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
419 chaotic. 
420 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
421 (\check{S},\check{E})\in
422 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
423 \begin{equation}
424 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
425 \end{equation}
426 \noindent where
427 \begin{equation}
428 \left\{
429 \begin{array}{lll}
430 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
431 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
432 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
433 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
434 \end{array}%
435 \right.
436 \end{equation}
437
438
439 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
440 \begin{itemize}
441 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
442 their distance should increase too.
443 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
444 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
445 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
446 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
447 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
448 updated components are the same as well.
449 \end{itemize}
450 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
451 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
452 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
453 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
454 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
455 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
456 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
457 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
458
459 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
460
461 \begin{proposition}
462 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
463 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
464 \end{proposition}
465
466 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
467 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
468 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
469
470 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
471 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
472 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
473 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
474 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
475 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
476 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
477 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
478 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
479 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
480 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
481
482
483 \begin{theorem}
484 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
485 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
486 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
487 \end{theorem}
488
489 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
490 \begin{theorem}
491   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
492   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
493   matrix and $M$
494   a $n\times n$ matrix defined by 
495   $
496   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
497   if $i \neq j$ and  
498   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
499   
500   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
501   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
502   a law that tends to the uniform distribution 
503   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
504 \end{theorem} 
505
506
507 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
508 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
509 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
510 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
511 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
512 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
513 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
514 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
515 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
516
517 \section{Application to Pseudorandomness}
518 \label{sec:pseudorandom}
519
520 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
521
522 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
523 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
524 leading thus to a new PRNG that 
525 \begin{color}{red}
526 should improve the statistical properties of each
527 generator taken alone. 
528 Furthermore, the generator obtained in this way possesses various chaos properties that none of the generators used as present input.
529
530
531
532 \begin{algorithm}[h!]
533 \begin{small}
534 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
535 ($n$ bits)}
536 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
537 $x\leftarrow x^0$\;
538 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
539 \For{$i=0,\dots,k$}
540 {
541 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
542 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
543 }
544 return $x$\;
545 \end{small}
546 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
547 \label{CI Algorithm}
548 \end{algorithm}
549
550
551
552
553 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
554 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
555 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
556 between two outputs is at least $b$
557 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
558 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
559 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
560  which must return integers
561 uniformly distributed
562 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
563 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
564 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
565 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
566 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
567 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
568 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
569 in our own generator to compute both the number of iterations between two
570 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
571
572 %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.
573
574
575 \begin{algorithm}[h!]
576 \begin{small}
577 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
578 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
579 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
580 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
581 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
582 $y\leftarrow{z}$\;
583 return $y$\;
584 \end{small}
585 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
586 \label{XORshift}
587 \end{algorithm}
588
589
590 \subsection{A ``New CI PRNG''}
591
592 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
593 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
594 In this ``New CI PRNG'', we prevent a given bit from changing twice between two outputs.
595 This new generator is designed by the following process. 
596
597 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
598 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
599 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
600 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
601 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
602 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
603 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
604 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
605 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
606 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
607
608 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
609 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
610 Such a procedure is equivalent to achieving chaotic iterations with
611 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
612 Finally, some $x^n$ are selected
613 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
614 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
615
616 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
617 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
618 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
619 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
620 goal (other candidates and more information can be found in ~\cite{bg10:ip}).
621
622 \begin{equation}
623 \label{Formula}
624 m^n = g(y^n)=
625 \left\{
626 \begin{array}{l}
627 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
628 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
629 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
630 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
631 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
632 \end{array}
633 \right.
634 \end{equation}
635
636 \begin{algorithm}
637 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
638 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
639 \begin{algorithmic}[1]
640 \FOR{$i=0,\dots,N$}
641 {
642 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
643 }
644 \ENDFOR
645 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
646 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
647 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
648
649 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
650 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
651     \IF{$d_S=0$}
652     {
653 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
654 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
655
656     }
657     \ELSIF{$d_S=1$}
658     {
659 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
660     }\ENDIF
661 \ENDWHILE\\
662 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
663 \STATE return $r$\;
664 \medskip
665 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
666 \label{Chaotic iteration1}
667 \end{algorithmic}
668 \end{algorithm}
669 \end{color}
670
671 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
672
673 Instead of updating only one cell at each iteration, \begin{color}{red} we now propose to choose a
674 subset of components and to update them together, for speed improvement. Such a proposition leads \end{color}
675 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
676 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
677 this algorithm can be rewritten as follows:
678
679 \begin{equation}
680 \left\{
681 \begin{array}{l}
682 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
683 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
684 \end{array}
685 \right.
686 \label{equation Oplus}
687 \end{equation}
688 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
689 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
690 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
691 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
692 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
693 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
694 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
695
696 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
697 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
698 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
699
700 \begin{equation}
701 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
702 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
703 \begin{array}{ll}
704   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
705   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
706 \end{array}\right.
707 \label{eq:generalIC}
708 \end{equation}
709 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
710 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
711 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
712 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
713 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
714 we select a subset of components to change.
715
716
717 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
718 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
719 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
720 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
721 in what follows).
722 However, proofs
723 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
724 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
725 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
726 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
727 faster, does not deflate their topological chaos properties.
728
729 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
730 \label{deuxième def}
731 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
732 the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
733 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
734
735 \begin{equation}
736   x_i^n=\left\{
737 \begin{array}{ll}
738   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
739   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
740 \end{array}\right.
741 \label{general CIs}
742 \end{equation}
743
744 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
745 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
746
747 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
748 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
749 is required in order to study the topological behavior of the system.
750
751 Let us introduce the following function:
752 \begin{equation}
753 \begin{array}{cccc}
754  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
755          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
756 \end{array} 
757 \end{equation}
758 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
759
760 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
761 $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
762 \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
763 \begin{equation*}
764 \begin{array}{rll}
765  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
766 \end{array}%
767 \end{equation*}%
768 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
769 is the negation of the Boolean $x$.
770 Consider the phase space:
771 \begin{equation}
772 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
773 \mathds{B}^\mathsf{N},
774 \end{equation}
775 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
776 \begin{equation}
777 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...
778 \end{equation}
779 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
780 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
781 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
782 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
783 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
784 be described by the following discrete dynamical system:
785 \begin{equation}
786 \left\{
787 \begin{array}{l}
788 X^0 \in \mathcal{X} \\
789 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
790 \end{array}%
791 \right.
792 \end{equation}%
793
794 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
795 iterations. 
796
797 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
798 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
799 Let us introduce:
800 \begin{equation}
801 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
802 \label{nouveau d}
803 \end{equation}
804 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
805  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
806 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
807  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
808 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
809 %% \begin{equation}
810 %% \left\{
811 %% \begin{array}{lll}
812 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
813 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
814 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
815 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
816 %% \end{array}%
817 %% \right.
818 %% \end{equation}
819 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
820 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
821
822
823 \begin{proposition}
824 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
825 \end{proposition}
826
827 \begin{proof}
828  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
829 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
830  \begin{itemize}
831 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
832 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
833 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
834  \item $d_s$ is symmetric 
835 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
836 of the symmetric difference. 
837 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
838 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
839 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
840 inequality is obtained.
841  \end{itemize}
842 \end{proof}
843
844
845 Before being able to study the topological behavior of the general 
846 chaotic iterations, we must first establish that:
847
848 \begin{proposition}
849  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
850 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
851 \end{proposition}
852
853
854 \begin{proof}
855 We use the sequential continuity.
856 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
857 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
858 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
859 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
860 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
861 sequences).\newline
862 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
863 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
864 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
865 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
866 cell will change its state:
867 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
868
869 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
870 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
871 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
872 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
873
874 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
875 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
876 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
877 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
878 \noindent We now prove that the distance between $\left(
879 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
880 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
881 \begin{itemize}
882 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
883 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
884 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
885 \medskip
886 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
887 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
888 \begin{equation*}
889 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
890 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
891 \end{equation*}%
892 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
893 \end{itemize}
894 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
895 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
896 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
897 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
898
899 In conclusion,
900 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
901 %%TOF : ici j'ai rajouté un commentaire
902 %%TOF : ici aussi
903 $
904 \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
905 ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
906 $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
907 \leqslant \varepsilon .
908 $
909 $G_{f}$ is consequently continuous.
910 \end{proof}
911
912
913 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
914 iterations. We will prove that,
915
916 \begin{theorem}
917 \label{t:chaos des general}
918  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
919 the Devaney's property of chaos.
920 \end{theorem}
921
922 Let us firstly prove the following lemma.
923
924 \begin{lemma}[Strong transitivity]
925 \label{strongTrans}
926  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
927 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
928 \end{lemma}
929
930 \begin{proof}
931  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
932 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
933 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
934 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
935 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
936 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
937 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
938 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
939 \begin{itemize}
940  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
941  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
942 \end{itemize}
943 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
944 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
945 claimed in the lemma.
946 \end{proof}
947
948 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
949
950 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
951 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
952
953 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
954 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
955 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
956 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
957 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
958
959 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
960 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
961 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
962 and $t_2\in\mathds{N}$ such
963 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
964
965 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
966 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
967 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
968 $$\tilde
969 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
970 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
971 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
972 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
973 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
974 \end{proof}
975
976
977 \begin{color}{red}
978 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
979
980 \label{The generation of pseudorandom sequence}
981
982
983 Let us now explain why we have reasonable ground to believe that chaos 
984 can improve statistical properties.
985 We will show in this section that chaotic properties as defined in the
986 mathematical theory of chaos are related to some statistical tests that can be found
987 in the NIST battery. Furthermore, we will check that, when mixing defective PRNGs with
988 chaotic iterations, the new generator presents better statistical properties
989 (this section summarizes and extends the work of~\cite{bfg12a:ip}).
990
991
992
993 \subsection{Qualitative relations between topological properties and statistical tests}
994
995
996 There are various relations between topological properties that describe an unpredictable behavior for a discrete 
997 dynamical system on the one
998 hand, and statistical tests to check the randomness of a numerical sequence
999 on the other hand. These two mathematical disciplines follow a similar 
1000 objective in case of a recurrent sequence (to characterize an intrinsically complicated behavior for a
1001 recurrent sequence), with two different but complementary approaches.
1002 It is true that the following illustrative links give only qualitative arguments, 
1003 and proofs should be provided later to make such arguments irrefutable. However 
1004 they give a first understanding of the reason why we think that chaotic properties should tend
1005 to improve the statistical quality of PRNGs.
1006 %
1007 Let us now list some of these relations between topological properties defined in the mathematical
1008 theory of chaos and tests embedded into the NIST battery. %Such relations need to be further 
1009 %investigated, but they presently give a first illustration of a trend to search similar properties in the 
1010 %two following fields: mathematical chaos and statistics.
1011
1012
1013 \begin{itemize}
1014     \item \textbf{Regularity}. As stated in Section~\ref{subsec:Devaney}, a chaotic dynamical system must 
1015 have an element of regularity. Depending on the chosen definition of chaos, this element can be the existence of
1016 a dense orbit, the density of periodic points, etc. The key idea is that a dynamical system with no periodicity
1017 is not as chaotic as a system having periodic orbits: in the first situation, we can predict something and gain a
1018 knowledge about the behavior of the system, that is, it never enters into a loop. A similar importance for periodicity is emphasized in
1019 the two following NIST tests~\cite{Nist10}:
1020     \begin{itemize}
1021         \item \textbf{Non-overlapping Template Matching Test}. Detect generators that produce too many occurrences of a given non-periodic (aperiodic) pattern.
1022         \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.
1023     \end{itemize}
1024
1025 \item \textbf{Transitivity}. This topological property previously introduced  states that the dynamical system is intrinsically complicated: it cannot be simplified into 
1026 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. 
1027 This focus on the places visited by the orbits of the dynamical system takes various nonequivalent formulations in the mathematical theory
1028 of chaos, namely: transitivity, strong transitivity, total transitivity, topological mixing, and so on~\cite{bg10:ij}. A similar attention 
1029 is brought on the states visited during a random walk in the two tests below~\cite{Nist10}:
1030     \begin{itemize}
1031         \item \textbf{Random Excursions Variant Test}. Detect deviations from the expected number of visits to various states in the random walk.
1032         \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.
1033     \end{itemize}
1034
1035 \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
1036 to Li-Yorke~\cite{Li75,Ruette2001}. A similar property is regarded in the following NIST test~\cite{Nist10}.
1037     \begin{itemize}
1038         \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.
1039     \end{itemize}
1040     \item \textbf{Topological entropy}. The desire to formulate an equivalency of the thermodynamics entropy
1041 has emerged both in the topological and statistical fields. Once again, a similar objective has led to two different
1042 rewritting of an entropy based disorder: the famous Shannon definition of entropy is approximated in the statistical approach, 
1043 whereas topological entropy is defined as follows:
1044 $x,y \in \mathcal{X}$ 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
1045 leads to the definition of $s_n(\varepsilon,Y)$, being the maximal cardinality of all $(n,\varepsilon)-$separated sets. Using these notations, 
1046 the topological entropy is defined as follows: $$h_{top}(\mathcal{X},f)  = \displaystyle{\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \Big[ \limsup_{n \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \log s_n(\varepsilon,\mathcal{X})\Big]}.$$
1047 This value measures the average exponential growth of the number of distinguishable orbit segments. 
1048 In this sense, it measures the complexity of the topological dynamical system, whereas 
1049 the Shannon approach comes to mind when defining the following test~\cite{Nist10}:
1050     \begin{itemize}
1051 \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.
1052     \end{itemize}
1053
1054     \item \textbf{Non-linearity, complexity}. Finally, let us remark that non-linearity and complexity are 
1055 not only sought in general to obtain chaos, but they are also required for randomness, as illustrated by the two tests below~\cite{Nist10}.
1056     \begin{itemize}
1057 \item \textbf{Binary Matrix Rank Test}. Check for linear dependence among fixed length substrings of the original sequence.
1058 \item \textbf{Linear Complexity Test}. Determine whether or not the sequence is complex enough to be considered random.
1059       \end{itemize}
1060 \end{itemize}
1061
1062
1063 We have proven in our previous works~\cite{guyeux12:bc} that chaotic iterations satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques} are, among other
1064 things, strongly transitive, topologically mixing, chaotic as defined by Li and Yorke,
1065 and that they have a topological entropy and an exponent of Lyapunov both equal to $ln(\mathsf{N})$,
1066 where $\mathsf{N}$ is the size of the iterated vector.
1067 These topological properties make that we are ground to believe that a generator based on chaotic
1068 iterations will probably be able to pass all the existing statistical batteries for pseudorandomness like
1069 the NIST one. The following subsections, in which we prove that defective generators have their
1070 statistical properties improved by chaotic iterations, show that such an assumption is true.
1071
1072 \subsection{Details of some Existing Generators}
1073
1074 The list of defective PRNGs we will use 
1075 as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
1076
1077 Firstly, the simple linear congruency generators (LCGs) will be used. 
1078 They are defined by the following recurrence:
1079 \begin{equation}
1080 x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m,
1081 \label{LCG}
1082 \end{equation}
1083 where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and inferior to 
1084 $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer to two (resp. three) 
1085 combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
1086
1087 Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) which will be used,
1088 are based on a linear recurrence of order 
1089 $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
1090 \begin{equation}
1091 x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m .
1092 \label{MRG}
1093 \end{equation}
1094 The combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experiments.
1095
1096 Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
1097 This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
1098 \begin{equation}
1099 \label{AWC}
1100 \begin{array}{l}
1101 x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
1102 c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
1103 the SWB generator, having the recurrence:
1104 \begin{equation}
1105 \label{SWB}
1106 \begin{array}{l}
1107 x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
1108 c^n=\left\{
1109 \begin{array}{l}
1110 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
1111 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1112 and the SWC generator, which is based on the following recurrence:
1113 \begin{equation}
1114 \label{SWC}
1115 \begin{array}{l}
1116 x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1117 c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1118
1119 Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1120 \begin{equation}
1121 x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k} .
1122 \label{GFSR}
1123 \end{equation}
1124
1125
1126 Finally, the nonlinear inversive (INV) generator~\cite{LEcuyerS07} has been studied, which is:
1127
1128 \begin{equation}
1129 \label{INV}
1130 \begin{array}{l}
1131 x^n=\left\{
1132 \begin{array}{ll}
1133 (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1134 a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1135
1136
1137
1138 \begin{table}
1139 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1140 \caption{TestU01 Statistical Test Failures}
1141 \label{TestU011}
1142 \centering
1143   \begin{tabular}{lccccc}
1144     \toprule
1145 Test name &Tests& Logistic              & XORshift      & ISAAC\\
1146 Rabbit                          &       38      &21             &14     &0       \\
1147 Alphabit                        &       17      &16             &9      &0       \\
1148 Pseudo DieHARD                  &126    &0              &2      &0      \\
1149 FIPS\_140\_2                    &16     &0              &0      &0      \\
1150 SmallCrush                      &15     &4              &5      &0       \\
1151 Crush                           &144    &95             &57     &0       \\
1152 Big Crush                       &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1153 Failures                &       &261            &146    &0       \\
1154 \bottomrule
1155   \end{tabular}
1156 \end{table}
1157
1158
1159
1160 \begin{table}
1161 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1162 \caption{TestU01 Statistical Test Failures for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1163 \label{TestU01 for Old CI}
1164 \centering
1165   \begin{tabular}{lcccc}
1166     \toprule
1167 \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1168 &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1169 &+& +& + & + \\ 
1170 &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1171 Rabbit                                  &7      &2      &0      &0       \\
1172 Alphabit                                & 3     &0      &0      &0       \\
1173 DieHARD                         &0      &0      &0      &0      \\
1174 FIPS\_140\_2                    &0      &0      &0      &0      \\
1175 SmallCrush                              &2      &0      &0      &0       \\
1176 Crush                                   &47     &4      &0      &0       \\
1177 Big Crush                               &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1178 Failures                                &138    &9      &0      &0       \\
1179 \bottomrule
1180   \end{tabular}
1181 \end{table}
1182
1183
1184
1185
1186
1187 \subsection{Statistical tests}
1188 \label{Security analysis}
1189
1190 Three batteries of tests are reputed and regularly used
1191 to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1192 number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1193 the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1194 TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1195
1196
1197
1198 \label{Results and discussion}
1199 \begin{table*}
1200 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1201 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1202 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1203 \centering
1204   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1205     \hline\hline
1206 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1207 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1208 NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1209 DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1210 \end{tabular}
1211 \end{table*}
1212
1213 Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1214 results on the two first batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1215 in the previous section
1216 cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1217 fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1218 iterations can solve this issue.
1219 %More precisely, to
1220 %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1221 %\begin{enumerate}
1222 %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1223 %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1224 %  \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 $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1225 %\begin{equation}
1226 %\begin{array}{l}
1227 %\left\{
1228 %\begin{array}{l}
1229 %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1230 %\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}
1231 %\end{equation}
1232 %$m$ is called the \emph{functional power}.
1233 %\end{enumerate}
1234 %
1235 The obtained results are reproduced in Table
1236 \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1237 The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1238 asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1239 The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and the ``New CI'' generators.
1240 Concerning the ``Xor CI PRNG'', the score is less spectacular. Because of a large speed improvement, the statistics
1241  are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1242 However 8 tests have been improved (with no deflation for the other results).
1243
1244
1245 \begin{table*}
1246 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1247 \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1248 \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1249 \centering
1250   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1251     \hline
1252 Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1253 \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1254 Old CIPRNG\\ \hline \hline
1255 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
1256 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
1257 New CIPRNG\\ \hline \hline
1258 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
1259 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
1260 Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1261 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
1262 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
1263 \end{tabular}
1264 \end{table*}
1265
1266
1267 We have then investigated in~\cite{bfg12a:ip} if it were possible to improve
1268 the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1269 $\oplus$ operation. Results are summarized in Table~\ref{threshold}, illustrating
1270 the progressive increasing effects of chaotic iterations, when giving time to chaos to get settled in.
1271 Thus rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1272 using chaotic iterations on defective generators.
1273
1274 \begin{table*}
1275 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1276 \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1277 \label{threshold}
1278 \centering
1279   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1280     \hline
1281 Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1282 Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1283 \end{tabular}
1284 \end{table*}
1285
1286 Finally, the TestU01 battery has been launched on three well-known generators 
1287 (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1288 see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1289 Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1290 Old CI PRNG that has received these generators.
1291 The obvious improvement speaks for itself, and together with the other
1292 results recalled in this section, it reinforces the opinion that a strong
1293 correlation between topological properties and statistical behavior exists.
1294
1295
1296 The next subsection will now give a concrete original implementation of the Xor CI PRNG, the
1297 fastest generator in the chaotic iteration based family. In the remainder,
1298 this generator will be simply referred to as CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1299 raise ambiguity.
1300 \end{color}
1301
1302 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1303 \label{sec:efficient PRNG}
1304 %
1305 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1306 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1307 %The first idea is to consider
1308 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1309 %given PRNG.
1310 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1311 %the last computed state and the current strategy.
1312 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1313 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1314 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1315 %
1316 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1317 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1318 %% are
1319 %% done.  
1320 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1321 %% binary vectors.
1322 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1323
1324 %% \begin{table}
1325 %% \begin{scriptsize}
1326 %% $$
1327 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1328 %% \hline
1329 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1330 %% \hline
1331 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1332 %% \hline
1333 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1334 %% \hline
1335
1336 %% \hline
1337 %%  \end{array}
1338 %% $$
1339 %% \end{scriptsize}
1340 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1341 %% \label{TableExemple}
1342 %% \end{table}
1343
1344
1345
1346
1347 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
1348 \begin{small}
1349 \begin{lstlisting}
1350
1351 unsigned int CIPRNG() {
1352   static unsigned int x = 123123123;
1353   unsigned long t1 = xorshift();
1354   unsigned long t2 = xor128();
1355   unsigned long t3 = xorwow();
1356   x = x^(unsigned int)t1;
1357   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1358   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1359   x = x^(unsigned int)t2;
1360   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1361   x = x^(unsigned int)t3;
1362   return x;
1363 }
1364 \end{lstlisting}
1365 \end{small}
1366
1367
1368
1369 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1370 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1371 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1372 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1373 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1374 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1375 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1376 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1377   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1378
1379 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1380 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1381 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
1382 \begin{color}{red}At this point, we thus
1383 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
1384 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
1385 this fast generator cannot be proven as secure.
1386 \end{color}
1387
1388
1389 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1390 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1391
1392 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1393 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1394 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1395 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1396 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1397 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1398 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1399 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1400 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1401 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1402 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1403 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1404 called {\it kernels}.
1405
1406
1407 \subsection{Naive Version for GPU}
1408
1409  
1410 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1411 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1412 Of course,  the  three xor-like
1413 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1414 In a given thread, these parameters are
1415 randomly picked from another PRNGs. 
1416 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1417 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1418 parameters embedded into each thread.   
1419
1420 The implementation of  the three
1421 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1422 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1423 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1424 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1425 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1426
1427
1428 \begin{algorithm}
1429 \begin{small}
1430 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1431 PRNGs in global memory\;
1432 NumThreads: number of threads\;}
1433 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1434 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1435   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1436   \For{i=1 to n} {
1437     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1438     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1439   }
1440   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1441 }
1442 \end{small}
1443 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1444 \label{algo:gpu_kernel}
1445 \end{algorithm}
1446
1447
1448
1449 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1450 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1451 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1452 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1453 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1454 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1455 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1456 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1457 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1458 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1459
1460 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1461 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1462 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1463
1464 \begin{remark}
1465 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1466 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1467 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1468 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1469 for all the different nodes involved in the computation.
1470 \end{remark}
1471
1472 \subsection{Improved Version for GPU}
1473
1474 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1475 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1476 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1477 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1478 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1479 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1480 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1481 performed. 
1482
1483 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1484 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1485 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1486 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1487 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1488 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1489 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1490 bits).
1491
1492 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1493
1494 \begin{algorithm}
1495 \begin{small}
1496 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1497 in global memory\;
1498 NumThreads: Number of threads\;
1499 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1500
1501 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1502 \If{threadId is concerned} {
1503   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1504   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1505   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1506   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1507   \For{i=1 to n} {
1508     t=xor-like()\;
1509     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1510     shared\_mem[threadId]=t\;
1511     x = x\textasciicircum t\;
1512
1513     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1514   }
1515   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1516 }
1517 \end{small}
1518 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1519 version\label{IR}}
1520 \label{algo:gpu_kernel2} 
1521 \end{algorithm}
1522
1523 \begin{color}{red}
1524 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
1525 \end{color}
1526
1527 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1528 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1529 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1530 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1531 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1532 and two values previously obtained by two other threads).
1533 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1534 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1535 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1536 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1537 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1538 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1539 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1540
1541 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1542 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1543 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1544 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1545 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1546 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1547 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1548
1549 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1550 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1551 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1552
1553 \section{Experiments}
1554 \label{sec:experiments}
1555
1556 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1557 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1558 and an
1559 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1560 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1561 All the
1562 cards have 240 cores.
1563
1564 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1565 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1566 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1567 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1568 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1569 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1570 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1571 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1572 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1573 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1574 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1575 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1576 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1577 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1578 should be of better quality.
1579 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1580 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1581
1582 \begin{figure}[htbp]
1583 \begin{center}
1584   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1585 \end{center}
1586 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1587 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1588 \end{figure}
1589
1590
1591
1592
1593
1594 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1595 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1596 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1597 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1598 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1599 reduction.
1600
1601 \begin{figure}[htbp]
1602 \begin{center}
1603   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1604 \end{center}
1605 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1606 \label{fig:time_bbs_gpu}
1607 \end{figure}
1608
1609 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1610 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1611 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1612 explained by the fact that the former  version has ``only''
1613 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1614 as it is shown in the next sections.
1615
1616
1617
1618
1619
1620
1621
1622 \section{Security Analysis}
1623
1624
1625 \begin{color}{red}
1626 This section is dedicated to the security analysis of the
1627   proposed PRNGs, both from a theoretical and from a practical point of view.
1628
1629 \subsection{Theoretical Proof of Security}
1630 \label{sec:security analysis}
1631
1632 The standard definition
1633   of {\it indistinguishability} used is the classical one as defined for
1634   instance in~\cite[chapter~3]{Goldreich}. 
1635   This property shows that predicting the future results of the PRNG
1636   cannot be done in a reasonable time compared to the generation time. It is important to emphasize that this
1637   is a relative notion between breaking time and the sizes of the
1638   keys/seeds. Of course, if small keys or seeds are chosen, the system can
1639   be broken in practice. But it also means that if the keys/seeds are large
1640   enough, the system is secured.
1641 As a complement, an example of a concrete practical evaluation of security
1642 is outlined in the next subsection.
1643 \end{color}
1644
1645 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1646 denoted by $uv$.
1647 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1648 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1649 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1650 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1651 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1652
1653 \begin{definition}
1654 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1655 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1656 large $m$'s,
1657 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1658 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1659 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1660 internal coin tosses of $D$. 
1661 \end{definition}
1662
1663 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1664 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1665 negligible probability.
1666 \begin{color}{red}
1667  An equivalent formulation of this well-known 
1668 security property means that it is possible 
1669 \emph{in practice} to predict the next bit of
1670 the generator, knowing all the previously 
1671 produced ones.
1672 \end{color}
1673 The interested reader is referred
1674 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1675 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1676 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1677
1678 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1679 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1680 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1681 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1682 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1683 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1684 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1685 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1686 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1687 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1688 We claim now that if this PRNG is secure,
1689 then the new one is secure too.
1690
1691 \begin{proposition}
1692 \label{cryptopreuve}
1693 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1694 PRNG too.
1695 \end{proposition}
1696
1697 \begin{proof}
1698 The proposition is proven by contraposition. Assume that $X$ is not
1699 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1700 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1701 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1702 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1703 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1704 $kN$:
1705 \begin{enumerate}
1706 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1707 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1708 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1709   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1710 \item Return $D(z)$.
1711 \end{enumerate}
1712
1713
1714 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1715 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1716 (each $w_i$ has length $N$) to 
1717 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1718   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1719 \begin{equation}\label{PCH-1}
1720 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1721 \end{equation}
1722 where $y$ is randomly generated. 
1723 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1724 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1725 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1726 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1727 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1728 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1729 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1730 one has
1731 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1732 therefore, 
1733 \begin{equation}\label{PCH-2}
1734 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1735 \end{equation}
1736
1737 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1738 \begin{equation}\label{PCH-3}
1739 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1740 \end{equation}
1741 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1742 thus
1743 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1744 D^\prime(H(x))=D(yx),
1745 \end{equation}
1746 where $y$ is randomly generated. 
1747 It follows that 
1748
1749 \begin{equation}\label{PCH-4}
1750 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1751 \end{equation}
1752  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1753 there exists a polynomial time probabilistic
1754 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1755 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1756 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1757 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1758 \end{proof}
1759
1760
1761
1762 \begin{color}{red}
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 \begin{flushleft}
1790 $\left| Pr[\mathcal{D}(G(k)) = 1 \mid k \in_R \{0,1\}^\ell ]\right.$
1791 \end{flushleft}
1792
1793 \begin{flushright}
1794 $ - \left. Pr[\mathcal{D}(s) = 1 \mid s \in_R \mathds{B}^M ]\right| \geqslant \varepsilon,$
1795 \end{flushright}
1796
1797 \noindent where the probability is taken over the internal coin flips of $\mathcal{D}$, and the notation
1798 ``$\in_R$'' indicates the process of selecting an element at random and uniformly over the
1799 corresponding set.
1800 \end{definition}
1801
1802 Let us recall that the running time of a probabilistic algorithm is defined to be the
1803 maximum of the expected number of steps needed to produce an output, maximized
1804 over all inputs; the expected number is averaged over all coin flips made by the algorithm~\cite{Knuth97}.
1805 We are now able to define the notion of cryptographically secure PRNGs:
1806
1807 \begin{definition}
1808 A pseudorandom generator is $(T,\varepsilon)-$secure if there exists no $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on this pseudorandom generator.
1809 \end{definition}
1810
1811
1812
1813
1814
1815
1816
1817 Suppose now that the PRNG of Eq.~\eqref{equation Oplus} will work during 
1818 $M=100$ time units, and that during this period,
1819 an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1820 We thus wonder whether, during the PRNG's 
1821 lifetime, the attacker can distinguish this 
1822 sequence from a truly random one, with a probability
1823 greater than $\varepsilon = 0.2$.
1824 We consider that $N$ has 900 bits.
1825
1826 Predicting the next generated bit knowing all the
1827 previously released ones by Eq.~\eqref{equation Oplus} is obviously equivalent to predicting the
1828 next bit in the BBS generator, which
1829 is cryptographically secure. More precisely, it
1830 is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1831 $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1832 successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1833 \begin{equation}
1834 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)
1835 \label{mesureConcrete}
1836 \end{equation}
1837 where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1838 our example), and $L(N)$ is equal to
1839 $$
1840 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln~ 2)^\frac{1}{3} \times (ln(N~ln~  2))^\frac{2}{3}\right)
1841 $$
1842 is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1843 integer.
1844
1845
1846
1847
1848 A direct numerical application shows that this attacker 
1849 cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1850 attack in that context.
1851
1852 \end{color}
1853
1854
1855 \section{Cryptographical Applications}
1856
1857 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1858 \label{sec:CSGPU}
1859
1860 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1861 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1862 it simply consists  in replacing
1863 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1864 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1865 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1866 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1867 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1868
1869   
1870 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1871 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1872 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1873 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1874 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1875 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1876 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1877 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1878 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1879 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1880 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1881 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1882   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1883 the followings  modifications. 
1884 \begin{itemize}
1885 \item
1886 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1887 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1888 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1889 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1890 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1891 %This approach  adds more randomness.   
1892 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1893 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1894 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1895 \item
1896 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1897 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1898 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1899 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1900 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1901 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1902 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1903 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1904 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1905 and add 3 new bits.
1906 \item
1907 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1908 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1909 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1910 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1911 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1912 \end{itemize}
1913
1914 \begin{algorithm}
1915 \begin{small}
1916 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1917 in global memory\;
1918 NumThreads: Number of threads\;
1919 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1920 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1921 }
1922
1923 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1924 \If{threadId is concerned} {
1925   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1926   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1927   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1928   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1929   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1930   \For{i=1 to n} {
1931     t$<<$=4\;
1932     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1933     ...\;
1934     t$<<$=4\;
1935     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1936     \tcp{two new shifts}
1937     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1938     t$<<$=shift\;
1939     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1940     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1941     t$<<$=shift\;
1942     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1943     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1944     shared\_mem[threadId]=t\;
1945     x = x\textasciicircum   t\;
1946
1947     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1948   }
1949   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1950 }
1951 \end{small}
1952 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1953 \label{algo:bbs_gpu}
1954 \end{algorithm}
1955
1956 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1957 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1958 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1959 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1960 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1961 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1962 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1963 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1964 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1965 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1966   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1967 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1968 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1969 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1970 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1971 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1972 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1973
1974 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1975 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1976 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1977 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1978 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is 
1979 cryptographically secure.
1980
1981 \begin{color}{red}
1982 As stated before, even if the proposed PRNG is cryptocaphically
1983 secure, it does not mean that such a generator
1984 can be used as described here when attacks are
1985 awaited. The problem is to determine the minimum 
1986 time required for an attacker, with a given 
1987 computational power, to predict under a probability
1988 lower than 0.5 the $n+1$th bit, knowing the $n$
1989 previous ones. The proposed GPU generator will be
1990 useful in a security context, at least in some 
1991 situations where a secret protected by a pseudorandom
1992 keystream is rapidly obsolete, if this time to 
1993 predict the next bit is large enough when compared
1994 to both the generation and transmission times.
1995 It is true that the prime numbers used in the last
1996 section are very small compared to up-to-date 
1997 security recommendations. However the attacker has not
1998 access to each BBS, but to the output produced 
1999 by Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, which is far
2000 more complicated than a simple BBS. Indeed, to
2001 determine if this cryptographically secure PRNG
2002 on GPU can be useful in security context with the 
2003 proposed parameters, or if it is only a very fast
2004 and statistically perfect generator on GPU, its
2005 $(T,\varepsilon)-$security must be determined, and
2006 a formulation similar to Eq.\eqref{mesureConcrete}
2007 must be established. Authors
2008 hope to achieve this difficult task in a future
2009 work.
2010 \end{color}
2011
2012
2013 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
2014 \label{Blum-Goldwasser}
2015 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
2016 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
2017 This first approach will be further investigated in a future work.
2018
2019 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
2020
2021 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
2022 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
2023 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
2024 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
2025 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
2026  reconstruction of the keystream.
2027
2028 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
2029 randomly and independently of each other, that are
2030  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
2031 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
2032
2033
2034 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
2035 \begin{enumerate}
2036 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
2037 \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 $L-1$,
2038 \begin{itemize}
2039 \item $i=0$.
2040 \item While $i \leqslant L-1$:
2041 \begin{itemize}
2042 \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 $x_i$,
2043 \item $i=i+1$,
2044 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
2045 \end{itemize}
2046 \end{itemize}
2047 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
2048 \end{enumerate}
2049
2050
2051 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
2052 \begin{enumerate}
2053 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
2054 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
2055 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
2056 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
2057 \end{enumerate}
2058
2059
2060 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
2061
2062 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
2063 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
2064 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
2065 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
2066 her new public key will be $(S^0, N)$.
2067
2068 To encrypt his message, Bob will compute
2069 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
2070 %\begin{equation}
2071 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
2072 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
2073 %%\end{equation}
2074 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
2075
2076 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
2077 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
2078 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
2079 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
2080 the inheritance of all the properties presented in this paper.
2081
2082 \section{Conclusion}
2083
2084
2085 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
2086 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
2087 chaotic according to Devaney.
2088 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
2089 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
2090 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
2091 namely the BigCrush.
2092 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
2093 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
2094 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
2095 \begin{color}{red} An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
2096 behave chaotically, has finally been proposed. \end{color}
2097
2098 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
2099 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
2100 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
2101 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
2102 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
2103 in a simulation context or in a cryptographic one.
2104
2105
2106
2107 \bibliographystyle{plain} 
2108 \bibliography{mabase}
2109 \end{document}