The Discrete Logarithm Problem in Finite Fields of Small Characteristic

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