Computing discrete logarithms is a long-standing algorithmic problem, whose hardness forms the basis for numerous current public-key cryptosystems. In the case of finite fields of small characteristic, however, there has been tremendous progress recently, by which the complexity of the discrete logarithm problem (DLP) is considerably reduced. This habilitation thesis on the DLP in such fields deals with two principal aspects. On one hand, we develop and investigate novel efficient algorithms for computing discrete logarithms, where the complexity analysis relies on heuristic assumptions. In particular, we show that logarithms of factor base elements can be computed in polynomial time, and we discuss practical impacts of the new methods on the security of pairing-based cryptosystems. While a heuristic running time analysis of algorithms is common practice for concrete security estimations, this approach is insufficient from a mathematical perspective. Therefore, on the other hand, we focus on provable complexity results, for which we modify the algorithms so that any heuristics are avoided and a rigorous analysis becomes possible. We prove that for any prime field there exist infinitely many extension fields in which the DLP can be solved in quasi-polynomial time. Despite the two aspects looking rather independent from each other, it turns out, as illustrated in this thesis, that progress regarding practical algorithms and record computations can lead to advances on the theoretical running time analysis -- and the other way around. / Die Berechnung von diskreten Logarithmen ist ein eingehend untersuchtes algorithmisches Problem, dessen Schwierigkeit zahlreiche Anwendungen in der heutigen Public-Key-Kryptographie besitzt. Für endliche Körper kleiner Charakteristik sind jedoch kürzlich erhebliche Fortschritte erzielt worden, welche die Komplexität des diskreten Logarithmusproblems (DLP) in diesem Szenario drastisch reduzieren. Diese Habilitationsschrift erörtert zwei grundsätzliche Aspekte beim DLP in Körpern kleiner Charakteristik. Es werden einerseits neuartige, erheblich effizientere Algorithmen zur Berechnung von diskreten Logarithmen entwickelt und untersucht, wobei die Laufzeitanalyse auf heuristischen Annahmen beruht. Unter anderem wird gezeigt, dass Logarithmen von Elementen der Faktorbasis in polynomieller Zeit berechnet werden können, und welche praktischen Auswirkungen die neuen Verfahren auf die Sicherheit paarungsbasierter Kryptosysteme haben. Während heuristische Laufzeitabschätzungen von Algorithmen für die konkrete Sicherheitsanalyse üblich sind, so erscheint diese Vorgehensweise aus mathematischer Sicht unzulänglich. Der Aspekt der beweisbaren Komplexität für DLP-Algorithmen konzentriert sich deshalb darauf, modifizierte Algorithmen zu entwickeln, die jegliche heuristische Annahme vermeiden und dessen Laufzeit rigoros gezeigt werden kann. Es wird bewiesen, dass für jeden Primkörper unendlich viele Erweiterungskörper existieren, für die das DLP in quasi-polynomieller Zeit gelöst werden kann. Obwohl die beiden Aspekte weitgehend unabhängig voneinander erscheinen mögen, so zeigt sich, wie in dieser Schrift illustriert wird, dass Fortschritte bei praktischen Algorithmen und Rekordberechnungen auch zu Fortentwicklungen bei theoretischen Laufzeitabschätzungen führen -- und umgekehrt.

gekürzte Fassung: Coalgebren wurden sowohl in der Mathematik (seit den 70er Jahren) als auch in der theoretischen Informatik (seit den 90er Jahren) untersucht. In der Mathematik sind Coalgebren dual zu universellen Algebren definiert. Sie bestehen aus einer Trägermenge A zusammen mit Cofunktionen ? : A ? , die A in die n-fache disjunkte Vereinigung von sich selbst abbilden. Das Ziel der Forschung ist hier vor allem, duale Versionen von Definitionen und Resultaten aus der universellen Algebra für die Welt der Coalgebren zu finden. Die theoretische Informatik betrachtet Coalgebren von kategorieller Seite aus. Für einen gegebenen Funktor F : C ? C sind Coalgebren als Paare (S,"alpha") definiert, wobei S ein Objekt von C und "alpha" : S ? F(S) ein Morphismus in C ist. Somit stellt der obige Ansatz mit Cofunktionen einen Spezialfall dar. Begriffe wie Homomorphismus oder Bisimularität lassen sich auf einfache Weise ausdrücken und handhaben. Solche Coalgebren modellieren eine große Anzahl von dynamischen Systemen. Das liefert eine kanonische und vereinheitlichende Sicht auf diese Systeme. Die vorliegende Dissertation führt beide genannten Forschungsrichtungen der Coalgebren weiter: Teil I beschäftigt sich mit "klassischen" Coalgebren, also solchen, wie sie in der universellen Algebra untersucht werden. Insbesondere wird das Verhältnis zur Klontheorie erforscht. Teil II der Arbeit widmet sich dem kategoriellen Ansatz aus der theoretischen Informatik. Von speziellem Interesse ist hier die Anwendung von Coalgebren zur Spezifikation von Systemen. Coalgebren und Klontheorie In der universellen Algebra spielen Systeme von Funktionen eine bedeutende Rolle, u.a. in der Klontheorie. Dort betrachtet man Funktionen auf einer festen gegebenen Grundmenge. Klone von Funktionen sind Mengen von Funktionen, die alle Projektionen enthalten und die gegen Superposition (d.h. Einsetzen) abgeschlossen sind. Extern lassen sich diese Klone als Galois-abgeschlossene Mengengzgl. der Galois-Verbindung zwischen Funktionen und Relationen darstellen. Diese Galois-Verbindung wird durch die Eigenschaft einer Funktion induziert, eine Relation zu bewahren. Dual zu Klonen von Funktionen wurde von B. Csákány auch Klone von Cofunktionen untersucht. Folglich stellt sich die Frage, ob solche Klone ebenfalls mittels einer geeigneten Galois-Verbindung charakterisiert werden können. Die vorliegende Arbeit führt zunächst den Begriff von Corelationen ein. Es wird auf kanonische Weise definiert, was es heißt, daß eine Cofunktion eine Corelation bewahrt. Dies mündet in einer Galois-Theorie, deren Galois-abgeschlossene Mengen von Cofunktionen tatsächlich genau die Klone von Cofunktionen sind. Überdies entsprechen die Galois-abgeschlossenen Mengen von Corelationen genau den Klonen von Corelationen. Die Galois-Theorien von Funktionen und Relationen einerseits und Cofunktionen und Corelationen anderseits sind sich sehr ähnlich. Das wirft die Frage auf, welche Voraussetzungen allgemein nötig sind, um solche und ähnliche Galois-Theorien aufzustellen und die entsprechenden Galois-abgeschlossenen Mengen zu charakterisieren. Das Ergebnis ist eine Metatheorie, bei der die Gemeinsamkeiten in den Charakterisierungen der Galois-abgeschlossenen Mengen herausgearbeitet sind. Bereits bekannte Galois-Theorien erweisen sich als Spezialfälle dieser Metatheorie, und zwar die Galois-Theorien von partiellen Funktionen und Relationen, von mehrwertigen Funktionen und Relationen und von einstelligen Funktionen und Relationen....