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index 1c7c9fea5064b7e4686f67312d5ff2056e3b1e95..55fc756560f07eab5d8a70a102c4798e8551a695 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
-\documentclass{article}
+%\documentclass{article}
+\documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
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@@ -7,7 +8,7 @@
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+\usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
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 \begin{document}
 
 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
-Guyeux, and Pierre-Cyrille Heam\thanks{Authors in alphabetic order}}
+Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
    
-\maketitle
 
+\IEEEcompsoctitleabstractindextext{
 \begin{abstract}
 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
-about 20 billions of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
+about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
 cards.
-It is finally established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
+It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
 secure.
+A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
 
 
 \end{abstract}
+}
+
+\maketitle
+
+\IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
+\IEEEpeerreviewmaketitle
+
 
 \section{Introduction}
 
-Randomness is of importance in many fields as scientific simulations or cryptography. 
+Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
@@ -66,21 +75,21 @@ generator (TRNG).
 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
-On some fields as in numerical simulations, speed is a strong requirement
+In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
-a recurrent problem is that a deflate of the statistical qualities is often
+a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
 achieve both speed and randomness.
 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
-need is to define \emph{secure} generators being able to withstand malicious
+need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
 sequence. 
-Finally, a small part of the community working in this domain focus on a
+Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
 third requirement, that is to define chaotic generators.
 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
-generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other words chaotic.
+generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
 and unassailable due to chaos.
 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
@@ -94,7 +103,7 @@ This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
-Indeed, to the authors' point of view, such properties can be useful in the two following situations. On the
+Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
@@ -109,7 +118,7 @@ Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper,
 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
-This battery can be found into the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
+This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
 
@@ -130,20 +139,22 @@ applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
 Such device
-allows us to generated almost 20 billions of pseudorandom numbers per second.
-Last, but not least, we show that the proposed post-treatment preserves the
+allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
+Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
 property.
+Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
+key encryption protocol by using the proposed method.
 
 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
   and on an iteration process called ``chaotic
 iterations'' on which the post-treatment is based. 
-Proofs of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
-Section~\ref{sec:efficient    prng}   presents   an   efficient
-implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient prng
-  gpu}   describes   the  GPU   implementation. 
+The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
+Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
+implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
+  gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
 Such generators are experimented in 
 Section~\ref{sec:experiments}.
 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
@@ -151,7 +162,8 @@ generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
 generator provided by the post-treatment.
 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shum
-in Section~\ref{sec:CSGPU}.
+in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
+Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
 summarized and intended future work is presented.
 
@@ -161,8 +173,8 @@ summarized and intended future work is presented.
 \section{Related works on GPU based PRNGs}
 \label{section:related works}
 
-Numerous research works on defining GPU based PRNGs have yet been proposed  in the
-literature, so that completeness is impossible.
+Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
+literature, so that exhaustivity is impossible.
 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
 in this domain, from their subjective point of view. 
 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
@@ -180,7 +192,7 @@ chaos or cryptography in this document.
 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
-GPU. Performance of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
+GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
 
@@ -192,11 +204,11 @@ the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared.
 FPGA appears as  the  fastest  and the most
 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
 per joule. 
-However, we can notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
+However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
 the results presented in this document.
 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
-able to pass the {\it Crush} battery, which is very easy compared to the {\it Big Crush} one.
+able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
 
 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
@@ -206,13 +218,16 @@ their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card.
 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
 \newline
 \newline
-We can finally remark that, to the best of our knowledge, no GPU implementation have been proven to be chaotic, and the cryptographically secure property is surprisingly never regarded.
+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.
 
 \section{Basic Recalls}
 \label{section:BASIC RECALLS}
 
 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
-topological chaos and chaotic iterations.
+topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
+with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
+
+
 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
 
 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
@@ -225,7 +240,7 @@ Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
 
 \begin{definition}
-$f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
+The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
 \varnothing$.
 \end{definition}
@@ -244,7 +259,7 @@ necessarily the same period).
 
 
 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
-$f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
+The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
 topologically transitive.
 \end{definition}
 
@@ -252,12 +267,12 @@ The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
 
 \begin{definition}
-\label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
+\label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
 
-$\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
+The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
 \end{definition}
 
 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
@@ -317,11 +332,13 @@ are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
 
 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
+%%RAPH : ici j'ai coupé la dernière ligne en 2, c'est moche mais bon
 \begin{equation}
 \begin{array}{lrll}
 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
-& (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
+& (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ \right.\\
+&       &              & \left. f(E)_{k}.\overline{\delta
 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
 \end{array}%
 \end{equation}%
@@ -380,9 +397,9 @@ their distance should increase too.
 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
-while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
-use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
-components that are updated are the same too.
+while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
+use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
+updated components are the same as well.
 \end{itemize}
 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
@@ -391,7 +408,7 @@ measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
-The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
+The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
 
 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
 
@@ -414,8 +431,7 @@ The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
-
-We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
+We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
 
 
 \begin{theorem}
@@ -424,14 +440,33 @@ Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (accord
 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
 \end{theorem}
 
-This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
+Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
+\begin{theorem}
+  Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
+  iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
+  matrix and $M$
+  a $n\times n$ matrix defined by 
+  $
+  M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
+  if $i \neq j$ and  
+  $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
+  
+  If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
+  the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
+  a law that tends to the uniform distribution 
+  if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
+\end{theorem} 
+
+
+These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
-\times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
+\times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
-during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
+during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
+Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
 
 \section{Application to Pseudorandomness}
 \label{sec:pseudorandom}
@@ -445,8 +480,9 @@ generator taken alone. Furthermore, our generator
 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
 present.
 
+
 \begin{algorithm}[h!]
-%\begin{scriptsize}
+\begin{small}
 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
 ($n$ bits)}
 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
@@ -458,12 +494,16 @@ $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
 }
 return $x$\;
-%\end{scriptsize}
+\end{small}
 \caption{PRNG with chaotic functions}
 \label{CI Algorithm}
 \end{algorithm}
 
+
+
+
 \begin{algorithm}[h!]
+\begin{small}
 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
@@ -471,7 +511,7 @@ $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
 $y\leftarrow{z}$\;
 return $y$\;
-\medskip
+\end{small}
 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
 \label{XORshift}
 \end{algorithm}
@@ -485,7 +525,7 @@ It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractéris
 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
-\textit{XORshift}$(k)$ PRNGs~\cite{Marsaglia2003} that returns integers
+\textit{XORshift}$(k)$ PRNGs~\cite{Marsaglia2003} that return integers
 uniformly distributed
 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
@@ -494,19 +534,7 @@ with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
 
-
-We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
-\begin{theorem}
-  Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
-  iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
-  matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
-  If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
-  the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
-  a law that tends to the uniform distribution 
-  if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
-\end{theorem} 
-
-This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST~\cite{bcgr11:ip}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07}.
+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.
 
 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
 
@@ -526,7 +554,7 @@ x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N
 \label{equation Oplus}
 \end{equation}
 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
-This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
+This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
@@ -550,13 +578,12 @@ where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$,
 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
-than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
-the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
+than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
 we select a subset of components to change.
 
 
 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
-Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
+Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
@@ -596,12 +623,13 @@ Let us introduce the following function:
 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
 
 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
+%%RAPH : j'ai coupé la dernière ligne en 2, c'est moche
 \begin{equation}
 \begin{array}{lrll}
 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
-& (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
-(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
+& (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+\right.\\
+&       &             &\left.f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
 \end{array}%
 \end{equation}%
 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
@@ -613,7 +641,7 @@ Consider the phase space:
 \end{equation}
 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
 \begin{equation}
-G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
+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...
 \end{equation}
 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
@@ -630,7 +658,7 @@ X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
 \right.
 \end{equation}%
 
-Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
+Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
 iterations. 
 
 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
@@ -640,17 +668,21 @@ Let us introduce:
 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
 \label{nouveau d}
 \end{equation}
-\noindent where
-\begin{equation}
-\left\{
-\begin{array}{lll}
-\displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
-}\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
-\displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
-\sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
-\end{array}%
-\right.
-\end{equation}
+\noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
+ }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
+$  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
+ \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
+%%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
+%% \begin{equation}
+%% \left\{
+%% \begin{array}{lll}
+%% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
+%% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
+%% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
+%% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
+%% \end{array}%
+%% \right.
+%% \end{equation}
 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
 
@@ -661,7 +693,7 @@ The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
 
 \begin{proof}
  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
-too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
+too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
  \begin{itemize}
 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
@@ -678,7 +710,7 @@ inequality is obtained.
 
 
 Before being able to study the topological behavior of the general 
-chaotic iterations, we must firstly establish that:
+chaotic iterations, we must first establish that:
 
 \begin{proposition}
  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
@@ -714,7 +746,7 @@ so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two poin
 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
 \begin{itemize}
-\item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
+\item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
 \medskip
@@ -731,12 +763,14 @@ G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are the same ($G_{f}$ is a shift of strategies)
 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
 In conclusion,
-$$
+%%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
+\begin{flushleft}$$
 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
-,\forall n\geqslant N_{0},
- d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
+,\forall n\geqslant N_{0},$$
+$$ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
 \leqslant \varepsilon .
 $$
+\end{flushleft}
 $G_{f}$ is consequently continuous.
 \end{proof}
 
@@ -776,7 +810,11 @@ where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
 claimed in the lemma.
 \end{proof}
 
-We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
+<<<<<<< HEAD
+We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
+=======
+We can now prove Theorem~\ref{t:chaos des general}...
+>>>>>>> e55d237aba022a66cc2d7650d295b29169878f45
 
 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
@@ -794,8 +832,10 @@ and $t_2\in\mathds{N}$ such
 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
 
 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
-of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
-S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
+of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
+%%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
+$$\tilde
+S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
@@ -805,7 +845,7 @@ have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
 
 
 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
-\label{sec:efficient prng}
+\label{sec:efficient PRNG}
 
 Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
 improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
@@ -815,40 +855,45 @@ given PRNG.
 An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
 the last computed state and the current strategy.
 Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
-iterations can be inherited by the inputted generator, hoping by doing so to 
+iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
 obtain some statistical improvements while preserving speed.
 
-
-Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
-are
-done.  
-Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
-binary vectors.
-Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
-
-\begin{table}
-$$
-\begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
-\hline
-x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
-\hline
-S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
-\hline
-x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
-\hline
-
-\hline
- \end{array}
-$$
-\caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
-\label{TableExemple}
-\end{table}
-
-
-
-\lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIprng}
+%%RAPH : j'ai viré tout ca
+%% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
+%% are
+%% done.  
+%% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
+%% binary vectors.
+%% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
+
+%% \begin{table}
+%% \begin{scriptsize}
+%% $$
+%% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
+%% \hline
+%% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
+%% \hline
+%% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
+%% \hline
+%% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
+%% \hline
+
+%% \hline
+%%  \end{array}
+%% $$
+%% \end{scriptsize}
+%% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
+%% \label{TableExemple}
+%% \end{table}
+
+
+
+
+\lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
+\begin{small}
 \begin{lstlisting}
-unsigned int CIprng() {
+
+unsigned int CIPRNG() {
   static unsigned int x = 123123123;
   unsigned long t1 = xorshift();
   unsigned long t2 = xor128();
@@ -862,48 +907,50 @@ unsigned int CIprng() {
   return x;
 }
 \end{lstlisting}
+\end{small}
 
 
 
+In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
+on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
+\textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
+\texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
+\texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
+PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
+works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
+32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
+  int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
 
-
-In Listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  the proposed PRNG based on chaotic iterations
- is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
-This  function uses  three classical  64-bits PRNGs, namely the  \texttt{xorshift}, the
-\texttt{xor128},  and  the  \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.   In  the following,  we  call  them
-``xor-like PRNGs''. 
-As
-each xor-like PRNG  uses 64-bits whereas our proposed generator works with 32-bits,
-we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the 32 least significant bits of a given integer, and the code
-\texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  in order to obtain the 32 most significant  bits of \texttt{t}.   
-
-So producing a  pseudorandom number needs  6 xor operations
-with 6 32-bits  numbers that are provided by 3 64-bits PRNGs.   This version successfully passes the
+Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
+that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
 
 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
-\label{sec:efficient prng gpu}
-
-In  order to take benefits  from the computing  power of  GPU, a  program needs  to have
-independent blocks of threads that can be computed simultaneously. In general,
-the larger the number of threads is,  the more local memory is used, and the less
-branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better the performances on GPU is.  
-Obviously, having these requirements in mind, it is possible to  build a program similar to 
-the one presented in Algorithm  \ref{algo:seqCIprng}, which computes pseudorandom numbers
-on   GPU.  
-To do so, we must firstly recall that in
- the   CUDA~\cite{Nvid10}  environment,   threads  have   a  local
-identifier called \texttt{ThreadIdx}, which is relative to the block containing them.
+\label{sec:efficient PRNG gpu}
+
+In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
+needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
+simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
+more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
+used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
+Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
+a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
+\ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
+do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
+environment,    threads    have     a    local    identifier    called
+\texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
+them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
+called {\it kernels}.
 
 
 \subsection{Naive Version for GPU}
 
  
 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
-The simple principle consists to make each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
+The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
 Of course,  the  three xor-like
 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
-In a given thread, these lasts are
+In a given thread, these parameters are
 randomly picked from another PRNGs. 
 The  initialization stage is performed by  the CPU.
 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
@@ -916,8 +963,9 @@ number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally
 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
 
-\begin{algorithm}
 
+\begin{algorithm}
+\begin{small}
 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
 PRNGs in global memory\;
 NumThreads: number of threads\;}
@@ -925,19 +973,21 @@ NumThreads: number of threads\;}
 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
   \For{i=1 to n} {
-    compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
+    compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
   }
   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
 }
-
+\end{small}
 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
 \label{algo:gpu_kernel}
 \end{algorithm}
 
+
+
 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
-used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
+used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
@@ -948,81 +998,90 @@ and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\
 
 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
 the versions that have been tested depending on their number of threads 
-(called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested until $10$ millions).
+(called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
 
 \begin{remark}
-The proposed algorithm has  the  advantage to  manipulate  independent
+The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
-for all the differents nodes involves in the computation.
+for all the different nodes involved in the computation.
 \end{remark}
 
 \subsection{Improved Version for GPU}
 
 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
-i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
-one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
+i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
+one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
-thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
-contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
-performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
-The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
-\texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
-which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
-by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
-PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
+thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
+contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
+performed. 
 
-This version also succeeds to the {\it BigCrush} batteries of tests.
+In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
+variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
+\texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
+representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
+current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
+been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
+which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
+bits).
 
-\begin{algorithm}
+This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
 
+\begin{algorithm}
+\begin{small}
 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
 in global memory\;
 NumThreads: Number of threads\;
-tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
+array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
 
 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
 \If{threadId is concerned} {
   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
-  offset = threadIdx\%permutation\_size\;
-  o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
-  o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
+  offset = threadIdx\%combination\_size\;
+  o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
+  o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
   \For{i=1 to n} {
     t=xor-like()\;
-    t=t$\oplus$shmem[o1]$\oplus$shmem[o2]\;
+    t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
     shared\_mem[threadId]=t\;
-    x = x $\oplus$ t\;
+    x = x\textasciicircum t\;
 
     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
   }
   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
 }
-
-\caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
-version}
-\label{algo:gpu_kernel2}
+\end{small}
+\caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
+version\label{IR}}
+\label{algo:gpu_kernel2} 
 \end{algorithm}
 
 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
 
-A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in three operations having 
+A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
-system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, three iterations of the general chaotic
-iterations are realized between two stored values of the PRNG.
+system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
+iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
+(obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
+and two values previously obtained by two other threads).
 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
-The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
-To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
-term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
+The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
+To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
+term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
 
-Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
-integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
-It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
-induction.
+Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
+integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
+last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
+prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
+is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
+the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
+(this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
 
 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
@@ -1032,56 +1091,64 @@ Devaney's formulation of a chaotic behavior.
 \label{sec:experiments}
 
 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
-speed. We have used  a computer equiped with Tesla C1060 NVidia  GPU card and an
-Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz for  our experiments  and we  have used
-another one  equipped with  a less performant  CPU and  a GeForce GTX  280. Both
+speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
+and an
+Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
+a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
+All the
 cards have 240 cores.
 
-In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  number of  random numbers
-generated per second with the xor-like based PRNG. In this figure, the optimized
-version use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}. The naive version
-use  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIprng}.   In
-order to obtain the optimal performance we removed the storage of random numbers
-in the GPU memory. This step is time consuming and slows down the random numbers
-generation.  Moreover, if one is  interested by applications that consume random
-numbers  directly   when  they  are  generated,  their   storage  are  completely
-useless. In this  figure we can see  that when the number of  threads is greater
-than approximately 30,000 upto 5 millions the number of random numbers generated
-per second  is almost constant.  With the  naive version, it is  between 2.5 and
-3GSample/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equals  to
-20GSample/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar. In
-practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280 and  this memory
+In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
+generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
+versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
+embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
+order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
+into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
+generation.  Moreover this   storage  is  completely
+useless, in case of applications that consume the pseudorandom
+numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
+than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
+per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
+3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
+20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
+practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
 should be of better quality.
+As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
+138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
 
 \begin{figure}[htbp]
 \begin{center}
-  \includegraphics[scale=.7]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
 \end{center}
-\caption{Number of random numbers generated per second with the xorlike based PRNG}
+\caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
 \label{fig:time_xorlike_gpu}
 \end{figure}
 
 
-In  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIprng}  allows  us   to  generate  about
-138MSample/s with only one core of the Xeon E5530.
 
 
-In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu}  we highlight the performance  of the optimized
-BBS based  PRNG on GPU. Performances are  less important. On the  Tesla C1060 we
-obtain approximately 1.8GSample/s and on the GTX 280 about 1.6GSample/s.
+
+In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
+BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
+and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
+xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
+new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
+reduction.
 
 \begin{figure}[htbp]
 \begin{center}
-  \includegraphics[scale=.7]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
 \end{center}
-\caption{Number of random numbers generated per second with the BBS based PRNG}
+\caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
 \label{fig:time_bbs_gpu}
 \end{figure}
 
-Both  these  experiments allows  us  to conclude  that  it  is possible  to
-generate a  huge number of pseudorandom  numbers with the  xor-like version and
-about tens  times less with the BBS  based version. The former  version has only
-chaotic properties whereas the latter also has cryptographically properties.
+All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
+generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
+To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
+explained by the fact that the former  version has ``only''
+chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
+as it is shown in the next sections.
 
 
 
@@ -1098,17 +1165,17 @@ In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
 denoted by $uv$.
 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
-seed $w$ of length $N$, $G(w)$ (the output of $G$ on the input $w$) has size
-$\ell_G(N)$ with $\ell_G(N)>N$.
+seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
+$\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
 
 \begin{definition}
 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
-large $k$'s,
-$$| \mathrm{Pr}[D(G(U_k))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(k)}=1]|< \frac{1}{p(N)},$$
+large $m$'s,
+$$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
-probabilities are taken over $U_N$, $U_{\ell_G(N)}$ as well as over the
+probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
 internal coin tosses of $D$. 
 \end{definition}
 
@@ -1117,7 +1184,7 @@ distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
 negligible probability. The interested reader is referred
 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
-function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(N)>N)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
+function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
 
 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
@@ -1128,11 +1195,12 @@ strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concate
 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
-(x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. Particularly one has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
+(x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
 We claim now that if this PRNG is secure,
 then the new one is secure too.
 
 \begin{proposition}
+\label{cryptopreuve}
 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
 PRNG too.
 \end{proposition}
@@ -1171,8 +1239,10 @@ $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
 one has
+$\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
+therefore, 
 \begin{equation}\label{PCH-2}
-\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
+\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
 \end{equation}
 
 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
@@ -1181,7 +1251,7 @@ D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
 \end{equation}
 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
 thus
-\begin{equation}\label{PCH-3}
+\begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
 D^\prime(H(x))=D(yx),
 \end{equation}
 where $y$ is randomly generated. 
@@ -1191,52 +1261,233 @@ It follows that
 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
 \end{equation}
  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
-there exist a polynomial time probabilistic
+there exists a polynomial time probabilistic
 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
-proving that $H$ is not secure, a contradiction. 
+proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
 \end{proof}
 
 
+\section{Cryptographical Applications}
 
-
-\section{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
+\subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
 \label{sec:CSGPU}
-It is  possible to build a  cryptographically secure prng based  on the previous
-algorithm (algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   It simply consists  in replacing
-the  {\it  xor-like} algorithm  by  another  cryptographically  secure prng.  In
-practice, we suggest  to use the BBS algorithm~\cite{BBS}  which takes the form:
-$$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers. Those
-prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4. In practice, this  PRNG is
-known to  be slow and  not efficient for  the generation of random  numbers. For
-current  GPU   cards,  the  modulus   operation  is  the  most   time  consuming
-operation. So in  order to obtain quite reasonable  performances, it is required
-to use only modulus on 32  bits integer numbers. Consequently $x_n^2$ need to be
-less than  $2^{32}$ and the  number $M$  need to be  less than $2^{16}$.   So in
-pratice we can  choose prime numbers around 256 that are  congruent to 3 modulus
-4.  With  32 bits numbers,  only the  4 least significant  bits of $x_n$  can be
-chosen  (the   maximum  number  of   undistinguishing  is  less  or   equals  to
-$log_2(log_2(x_n))$). So  to generate a 32 bits  number, we need to  use 8 times
-the BBS algorithm, with different combinations of $M$ is required.
-
-Currently this PRNG does not succeed to pass all the tests of TestU01.
 
+It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
+algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
+it simply consists  in replacing
+the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
+We have chosen the Blum Blum Shum generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
+$$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
+prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
+very slow and only usable for cryptographic applications. 
+
+  
+The modulus operation is the most time consuming operation for current
+GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
+required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
+$x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
+lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
+256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
+4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
+indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
+$log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
+8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
+approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
+as small values of  $M$ for the BBS  lead to
+  small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
+the followings  modifications. 
+\begin{itemize}
+\item
+Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
+Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
+the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
+arrays to be used is different for all the threads. It is determined
+by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
+%This approach  adds more randomness.   
+In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
+character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
+gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
+\item
+Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
+have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
+to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
+shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
+described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
+of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
+3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
+strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
+fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
+and add 3 new bits.
+\item
+Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
+numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
+internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
+variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
+variable for BBS number 8 is stored in place 1.
+\end{itemize}
 
-\section{Conclusion}
+\begin{algorithm}
+\begin{small}
+\KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
+in global memory\;
+NumThreads: Number of threads\;
+array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
+array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
+}
+
+\KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
+\If{threadId is concerned} {
+  retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
+  we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
+  offset = threadIdx\%combination\_size\;
+  o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
+  o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
+  \For{i=1 to n} {
+    t$<<$=4\;
+    t|=BBS1(bbs1)\&15\;
+    ...\;
+    t$<<$=4\;
+    t|=BBS8(bbs8)\&15\;
+    \tcp{two new shifts}
+    shift=BBS3(bbs3)\&3\;
+    t$<<$=shift\;
+    t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
+    shift=BBS7(bbs7)\&3\;
+    t$<<$=shift\;
+    t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
+    t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
+    shared\_mem[threadId]=t\;
+    x = x\textasciicircum   t\;
+
+    store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
+  }
+  store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
+}
+\end{small}
+\caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
+\label{algo:bbs_gpu}
+\end{algorithm}
+
+In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
+a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
+on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
+the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
+$t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
+puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
+remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
+bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
+order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
+variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
+  most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
+\emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
+last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
+correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
+to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
+we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
+operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
+
+It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
+where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
+PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
+by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
+Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
+secure.
+
+
+
+\subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
+\label{Blum-Goldwasser}
+We finish this research work by giving some thoughts about the use of
+the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
+This first approach will be further investigated in a future work.
 
+\subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
 
-In  this  paper  we have  presented  a  new  class  of  PRNGs based  on  chaotic
-iterations. We have proven that these PRNGs are chaotic in the sense of Devenay.
-We also propose a PRNG cryptographically secure and its implementation on GPU.
+The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
+proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
+implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
+the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
+the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
+ reconstruction of the keystream.
+
+The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
+randomly and independently of each other, that are
+ congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
+The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
+
+
+Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
+\begin{enumerate}
+\item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
+\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 $L-1$,
+\begin{itemize}
+\item $i=0$.
+\item While $i \leqslant L-1$:
+\begin{itemize}
+\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 $x_i$,
+\item $i=i+1$,
+\item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
+\end{itemize}
+\end{itemize}
+\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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
+\end{enumerate}
+
+
+When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
+\begin{enumerate}
+\item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
+\item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
+\item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
+\item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
+\end{enumerate}
+
+
+\subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
+
+We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
+Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
+be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
+Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
+her new public key will be $(S^0, N)$.
+
+To encrypt his message, Bob will compute
+%%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
+%\begin{equation}
+$c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
+$ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
+%%\end{equation}
+instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
+
+The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
+$\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
+Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
+By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
+the inheritance of all the properties presented in this paper.
+
+\section{Conclusion}
 
-An  efficient implementation  on  GPU based  on  a xor-like  PRNG  allows us  to
-generate   a  huge   number   of  pseudorandom   numbers   per  second   (about
-20Gsample/s). This PRNG succeeds to pass the hardest batteries of TestU01.
 
-In future  work we plan to  extend this work  for parallel PRNG for  clusters or
-grid computing. We also plan to improve  the BBS version in order to succeed all
-the tests of TestU01.
+In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
+has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
+chaotic according to Devaney.
+Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
+have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
+20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
+namely the BigCrush.
+Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
+secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
+the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
+Thoughts about an improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, using the 
+proposed method, has been finally proposed.
+
+In future  work we plan to extend these researches, building a parallel PRNG for  clusters or
+grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
+and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
+of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
+will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
+in a simulation context or in a cryptographic one.