]> AND Private Git Repository - rairo15.git/blob - prng.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
resultats nist
[rairo15.git] / prng.tex
1 Let us finally present the pseudorandom number generator $\chi_{\textit{15Rairo}}$,
2 which is based on random walks in $\Gamma_{\{b\}}(f)$. 
3 More precisely, let be given a Boolean map $f:\Bool^{\mathsf{N}} \rightarrow 
4 \Bool^\mathsf{N}$,
5 a PRNG \textit{Random},
6 an integer $b$ that corresponds to an iteration number (\textit{i.e.}, the length of the walk), and 
7 an initial configuration $x^0$. 
8 Starting from $x^0$, the algorithm repeats $b$ times 
9 a random choice of which edge to follow, and traverses this edge 
10 provided it is allowed to do so, \textit{i.e.}, 
11 when $\textit{Random}(1)$ is not null. 
12 The final configuration is thus outputted.
13 This PRNG is formalized in Algorithm~\ref{CI Algorithm:2}.
14
15
16
17 \begin{algorithm}[ht]
18 %\begin{scriptsize}
19 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$ ($n$ bits)}
20 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
21 $x\leftarrow x^0$\;
22 \For{$i=0,\dots,b-1$}
23 {
24 \If{$\textit{Random}(1) \neq 0$}{
25 $s\leftarrow{\textit{Random}(n)}$\;
26 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
27 }
28 }
29 return $x$\;
30 %\end{scriptsize}
31 \caption{Pseudo Code of the $\chi_{\textit{15Rairo}}$ PRNG}
32 \label{CI Algorithm:2}
33 \end{algorithm}
34
35
36 This PRNG is slightly different from $\chi_{\textit{14Secrypt}}$
37 recalled in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
38 As this latter, the length of the random 
39 walk of our algorithm is always constant (and is equal to $b$). 
40 However, in the current version, we add the constraint that   
41 the probability to execute the function $F_f$ is equal to 0.5 since
42 the output of $\textit{Random(1)}$ is uniform in $\{0,1\}$.  
43 This constraint is added to match the theoretical framework of 
44 Sect.~\ref{sec:hypercube}.
45
46
47
48 Notice that the chaos property of $G_f$ given in Sect.\ref{sec:proofOfChaos}
49 only requires that the graph $\Gamma_{\{b\}}(f)$ is strongly connected.
50 Since the $\chi_{\textit{15Rairo}}$ algorithm 
51 only adds probability constraints on existing edges, 
52 it preserves this property. 
53
54
55 For each number $\mathsf{N}=4,5,6,7,8$ of bits, we have generated 
56 the functions according to the method 
57 given in Sect.~\ref{sec:SCCfunc}.
58 For each $\mathsf{N}$, we have then restricted this evaluation to the function 
59 whose Markov Matrix (issued from Eq.~(\ref{eq:Markov:rairo})) 
60 has the smallest practical mixing time.
61 Such functions are 
62 given in Table~\ref{table:nc}.
63 In this table, let us consider for instance 
64 the function $\textcircled{a}$ from $\Bool^4$ to $\Bool^4$
65 defined by the following images : 
66 $[13, 10, 9, 14, 3, 11, 1, 12, 15, 4, 7, 5, 2, 6, 0, 8]$.
67 In other words,  the image of $3~(0011)$ by $\textcircled{a}$ is $14~(1110)$:
68 it is obtained as  the  binary  value  of  the  fourth element  in  
69 the  second  list (namely~14).  
70
71 In this table the column 
72 that is labeled with $b$ (respectively by $E[\tau]$)
73 gives the practical mixing time 
74 where the deviation to the standard distribution is lesser than $10^{-6}$
75 (resp. the theoretical upper bound of stopping time as described in 
76 Sect.~\ref{sec:hypercube}).
77
78
79
80 \begin{table*}[t]
81 \begin{center}
82 \begin{scriptsize}
83 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
84 \hline
85 Function $f$ & $f(x)$, for $x$ in $(0,1,2,\hdots,2^n-1)$ & $\mathsf{N}$ & $b$ 
86 &$E[\tau]$\\ 
87 \hline
88 %%%%% n= 4
89 $\textcircled{a}$&[13,10,9,14,3,11,1,12,15,4,7,5,2,6,0,8]&4&64&\\
90 \hline
91 %%%%% n= 5
92 $\textcircled{b}$& 
93 [29, 22, 25, 30, 19, 27, 24, 16, 21, 6, 5, 28, 23, 26, 1, 17, & 5 & 78 & \\
94 &
95  31, 12, 15, 8, 10, 14, 13, 9, 3, 2, 7, 20, 11, 18, 0, 4]
96 &&&\\
97 %%%%% n= 6
98 \hline
99 &
100 [55, 60, 45, 44, 58, 62, 61, 48, 53, 50, 52, 36, 59, 34, 33, 49,
101 &&&\\
102 &
103  15, 42, 47, 46, 35, 10, 57, 56, 7, 54, 39, 37, 51, 2, 1, 40, 63,
104 &&&\\
105 $\textcircled{c}$&
106  26, 25, 30, 19, 27, 17, 28, 31, 20, 23, 21, 18, 22, 16, 24, 13, 
107 &6&88&\\
108 &
109 12, 29, 8, 43, 14, 41, 0, 5, 38, 4, 6, 11, 3, 9, 32]
110 &&&\\
111 %%%%% n= 7
112 \hline
113 &
114 [111, 94, 93, 116, 122, 90, 125, 88, 115, 126, 119, 84, 123, 98,
115 &&&\\
116 &
117  81, 120, 109, 106, 105, 110, 99, 107, 104, 72, 71, 118,  117, 
118  &&&\\
119 &
120 96, 103, 102, 113, 64, 79, 86, 95, 124, 83, 91, 121, 24, 85, 22, 
121 &&&\\
122 $\textcircled{d}$& 
123 69, 20, 19, 114, 17, 112, 77, 76, 13, 108, 74, 10, 9, 73, 67, 66,
124 &7 & 99&\\
125
126
127  101, 100, 75, 82, 97, 0, 127, 54, 57, 62, 51, 59, 56, 48, 53, 38,
128 &&&\\
129 &
130  37, 60, 55, 58, 33, 49, 63, 44, 47, 40, 42, 46, 45, 41, 35, 34, 
131 &&&\\
132 &
133 39, 52, 43, 50, 32, 36, 29, 28, 61, 92, 26, 18, 89, 25, 87, 30, 
134 &&&\\
135 &
136 23, 4, 27, 2, 16, 80, 31, 78, 15, 14, 3, 11, 8, 12, 5, 70, 21, 
137 &&&\\
138 &
139 68, 7, 6, 65, 1]
140 &&&\\
141
142
143 %%%%%n=8
144 \hline
145 &
146 [223, 190, 249, 254, 187, 251, 233, 232, 183, 230, 247, 180, 227, 
147 &&&\\
148 &
149 178, 240, 248, 237, 236, 253, 172, 203, 170, 201, 168, 229, 166, 
150 &&&\\
151 &
152 165, 244, 163, 242, 241, 192, 215, 220, 205, 216, 218, 222, 221, 
153 &&&\\
154 &
155 208, 213, 210, 212, 214, 219, 211, 217, 209, 239, 202, 207, 140, 
156 &&&\\
157 &
158 139, 234, 193, 204, 135, 196, 199, 132, 194, 130, 225, 200, 159, 
159 &&&\\
160 &
161 62, 185, 252, 59, 250, 169, 56, 191, 246, 245, 52, 243, 50, 176, 
162 &&&\\
163 &
164 48, 173, 238, 189, 44, 235, 42, 137, 184, 231, 38, 37, 228, 35,
165 &&&\\
166 &
167 226, 177, 224, 151, 156, 141, 152, 154, 158, 157, 144, 149, 146,
168 &&&\\
169 &
170 148, 150, 155, 147, 153, 145, 175, 206, 143, 136, 11, 142, 129,
171 &&&\\
172 $\textcircled{e}$&
173 8, 7, 198, 197, 4, 195, 2, 161, 160, 255, 124, 109, 108, 122,
174 &8&110&\\
175 &
176  126, 125, 112, 117, 114, 116, 100, 123, 98, 97, 113, 79, 106,
177 &&&\\
178 &
179  111, 110, 99, 74, 121, 120, 71, 118, 103, 101, 115, 66, 65, 
180 &&&\\
181 &
182 104, 127, 90, 89, 94, 83, 91, 81, 92, 95, 84, 87, 85, 82, 86,
183 &&&\\
184 &
185 80, 88, 77, 76, 93, 72, 107, 78, 105, 64, 69, 102, 68, 70, 75,
186 &&&\\
187 &
188 67, 73, 96, 55, 58, 45, 188, 51, 186, 61, 40, 119, 182, 181, 
189 &&&\\
190 &
191 53, 179, 54, 33, 49, 15, 174, 47, 60, 171, 46, 57, 32, 167, 6,
192 &&&\\
193 &
194  36, 164, 43, 162, 1, 0, 63, 26, 25, 30, 19, 27, 17, 28, 31, 
195 &&&\\
196 &
197 20, 23, 21, 18, 22, 16, 24, 13, 10, 29, 14, 3, 138, 41, 12, 
198 &&&\\
199 &
200 39, 134, 133, 5, 131, 34, 9, 128]
201 &&&\\
202 \hline
203 \end{tabular}
204 \end{scriptsize}
205 \end{center}
206 \caption{Functions with DSCC Matrix and smallest MT\label{table:nc}}
207 \end{table*}
208
209
210
211 Let us first discuss about results against the NIST test suite. 
212 In our experiments, 100 sequences (s = 100) of 1,000,000 bits are generated and tested.
213 If the value $\mathbb{P}_T$ of any test is smaller than 0.0001, the sequences are considered to be not good enough
214 and the generator is unsuitable. Table~\ref{The passing rate} shows $\mathbb{P}_T$ of sequences based on discrete
215 chaotic iterations using different schemes. If there are at least two statistical values in a test, this test is
216 marked with an asterisk and the average value is computed to characterize the statistics.
217 We can see in Table \ref{The passing rate} that all the rates are greater than 97/100, \textit{i.e.}, all the generators 
218 achieve to pass the NIST battery of tests.
219
220
221
222 \begin{table} 
223 \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
224 \begin{center}
225 \begin{scriptsize}
226 \setlength{\tabcolsep}{2pt}
227
228
229 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
230 \hline
231 Method &$\textcircled{a}$& $\textcircled{b}$ & $\textcircled{c}$ & $\textcircled{d}$ & $\textcircled{e}$   \\ \hline\hline
232 Frequency (Monobit)& 0.851 (0.98)& 0.719 (0.99)& 0.699 (0.99)& 0.514 (1.0)& 0.798 (0.99)\\ \hline 
233 Frequency (Monobit)& 0.851 (0.98)& 0.719 (0.99)& 0.699 (0.99)& 0.514 (1.0)& 0.798 (0.99)\\ \hline 
234 Frequency  within a Block& 0.262 (0.98)& 0.699 (0.98)& 0.867 (0.99)& 0.145 (1.0)& 0.455 (0.99)\\ \hline 
235 Cumulative Sums (Cusum) *& 0.301 (0.98)& 0.521 (0.99)& 0.688 (0.99)& 0.888 (1.0)& 0.598 (1.0)\\ \hline 
236 Runs& 0.224 (0.97)& 0.383 (0.97)& 0.108 (0.96)& 0.213 (0.99)& 0.616 (0.99)\\ \hline 
237 Longest Run of 1s & 0.383 (1.0)& 0.474 (1.0)& 0.983 (0.99)& 0.699 (0.98)& 0.897 (0.96)\\ \hline 
238 Binary Matrix Rank& 0.213 (1.0)& 0.867 (0.99)& 0.494 (0.98)& 0.162 (0.99)& 0.924 (0.99)\\ \hline 
239 Disc. Fourier Transf. (Spect.)& 0.474 (1.0)& 0.739 (0.99)& 0.012 (1.0)& 0.678 (0.98)& 0.437 (0.99)\\ \hline 
240 Unoverlapping Templ. Match.*& 0.505 (0.990)& 0.521 (0.990)& 0.510 (0.989)& 0.511 (0.990)& 0.499 (0.990)\\ \hline 
241 Overlapping Temp. Match.& 0.574 (0.98)& 0.304 (0.99)& 0.437 (0.97)& 0.759 (0.98)& 0.275 (0.99)\\ \hline 
242 Maurer's Universal Statistical& 0.759 (0.96)& 0.699 (0.97)& 0.191 (0.98)& 0.699 (1.0)& 0.798 (0.97)\\ \hline 
243 Approximate Entropy (m=10)& 0.759 (0.99)& 0.162 (0.99)& 0.867 (0.99)& 0.534 (1.0)& 0.616 (0.99)\\ \hline 
244 Random Excursions *& 0.666 (0.994)& 0.410 (0.962)& 0.287 (0.998)& 0.365 (0.994)& 0.480 (0.985)\\ \hline 
245 Random Excursions Variant *& 0.337 (0.988)& 0.519 (0.984)& 0.549 (0.994)& 0.225 (0.995)& 0.533 (0.993)\\ \hline 
246 Serial* (m=10)& 0.630 (0.99)& 0.529 (0.99)& 0.460 (0.99)& 0.302 (0.995)& 0.360 (0.985)\\ \hline 
247 Linear Complexity& 0.719 (1.0)& 0.739 (0.99)& 0.759 (0.98)& 0.122 (0.97)& 0.514 (0.99)\\ \hline 
248 \end{tabular}
249 \end{scriptsize}
250 \end{center}
251 \caption{NIST SP 800-22 test results ($\mathbb{P}_T$)}
252 \label{The passing rate}
253 \end{table}
254
255