Another snapshot so we get a newer announced version number
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blob4ba31e4cd048e72d5bda0c881221de7e82710a65
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
9 versions of Tor will implement improved protocols, and compatibility is not
10 guaranteed.
12 This is not a design document; most design criteria are not examined.  For
13 more information on why Tor acts as it does, see tor-design.pdf.
15 TODO: (very soon)
16       - REASON_CONNECTFAILED should include an IP.
17       - Copy prose from tor-design to make everything more readable.
19 0. Notation:
21    PK -- a public key.
22    SK -- a private key
23    K  -- a key for a symmetric cypher
25    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
27    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
28    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
30    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
32    Unless otherwise specified, all symmetric ciphers are AES in counter
33    mode, with an IV of all 0 bytes.  Asymmetric ciphers are either RSA
34    with 1024-bit keys and exponents of 65537, or DH with the safe prime
35    from rfc2409, section 6.2, whose hex representation is:
37      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
38      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
39      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
40      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
41      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
43    All "hashes" are 20-byte SHA1 cryptographic digests.
45    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA1 hash of the
46    ASN.1 encoding of an RSA public key (as specified in PKCS.1).
48 1. System overview
50    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
51    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
52    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
53    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
54    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
55    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
56    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
57    the layers of an onion) and relayed downstream.
59 2. Connections
61    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
62    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
63    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
64    allows mutual authentication.
66    Tor uses TLS for link encryption.  All implementations MUST support
67    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
68    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
69    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
70    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
71    least 128 bits, and digests of at least 160 bits.
73    An OP or OR always sends a two-certificate chain, consisting of a
74    self-signed certificate containing the OR's identity key, and a second
75    certificate using a short-term connection key.  The commonName of the
76    second certificate is the OR's nickname, and the commonName of the first
77    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
78    "<identity>".
80    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
81    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
82    the one given in the directory; when creating a connection because of an
83    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
84    the key is not as expected, the party must close the connection.
86    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
87    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
88    with malformed or missing certificates.
90    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
91    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
92    cells are 512 bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
93    records of any size or divided across TLS records, but the framing
94    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
95    of the cells.
97    OR-to-OR connections are never deliberately closed.  When an OR
98    starts or receives a new directory, it tries to open new
99    connections to any OR it is not already connected to.
100 [not true, unused OR conns close after 5 mins too -RD]
102    OR-to-OP connections are not permanent. An OP should close a
103    connection to an OR if there are no circuits running over the
104    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
105    minutes) has passed.
107 3. Cell Packet format
109    The basic unit of communication for onion routers and onion
110    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
111    fields:
113         CircID                                [2 bytes]
114         Command                               [1 byte]
115         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
116                                          [Total size: 512 bytes]
118    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
119    associated with.
121    The 'Command' field holds one of the following values:
122          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
123          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
124          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
125          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
126          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
128    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
129       PADDING: Payload is unused.
130       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
131       CREATED: Payload contains the handshake response.
132       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
133       DESTROY: Payload is unused.
134    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
135    drop the cell.
137    The payload is padded with 0 bytes.
139    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
140    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
141    cell every few minutes.
143    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
144    see section 4 below.
146    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
147    section 5 below.
149 4. Circuit management
151 4.1. CREATE and CREATED cells
153    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
154    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
155    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
156    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
157    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
158    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
159    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
160    to extend the circuit.
162    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
163    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
165    The data is encrypted to Bob's PK as follows: Suppose Bob's PK is
166    L octets long.  If the data to be encrypted is shorter than L-42,
167    then it is encrypted directly (with OAEP padding).  If the data is at
168    least as long as L-42, then a randomly generated 16-byte symmetric
169    key is prepended to the data, after which the first L-16-42 bytes
170    of the data are encrypted with Bob's PK; and the rest of the data is
171    encrypted with the symmetric key.
173    So in this case, the onion skin on the wire looks like:
174        RSA-encrypted:
175          OAEP padding                  [42 bytes]
176          Symmetric key                 [16 bytes]
177          First part of g^x             [70 bytes]
178        Symmetrically encrypted:
179          Second part of g^x            [58 bytes]
181    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
182          Address                       [4 bytes]
183          Port                          [2 bytes]
184          Onion skin                    [186 bytes]
185          Public key hash               [20 bytes]
187    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
188    onion router in the circuit; the public key hash is the SHA1 hash of the
189    PKCS#1 ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.
191    [XXXX Before 0.0.8, EXTEND cells did not include the public key hash.
192    Servers running 0.0.8 distinguish the old-style cells based on the
193    length of payloads. (Servers running 0.0.7 blindly pass on the extend
194    cell regardless of length.) In a future release, old-style EXTEND
195    cells will not be supported.]
197    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
198    EXTENDED cell, contains:
199          DH data (g^y)                 [128 bytes]
200          Derivative key data (KH)      [20 bytes]   <see 4.2 below>
202    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
203    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
204    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
205    from only one half of the possible values based on the ORs' public
206    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
207    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
209    Public keys are compared numerically by modulus.
211    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
212    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
213    implementations should notice when the other side of a connection is
214    sending CREATE cells with the "wrong" MSG, and switch accordingly.)
216 4.2. Setting circuit keys
218    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both
219    servers can now calculate g^xy with ordinary DH.  From the base key
220    material g^xy, they compute derivative key material as follows.
221    First, the server represents g^xy as a big-endian unsigned integer.
222    Next, the server computes 100 bytes of key data as K = SHA1(g^xy |
223    [00]) | SHA1(g^xy | [01]) | ... SHA1(g^xy | [04]) where "00" is
224    a single octet whose value is zero, [01] is a single octet whose
225    value is one, etc.  The first 20 bytes of K form KH, bytes 21-40 form
226    the forward digest Df, 41-60 form the backward digest Db, 61-76 form
227    Kf, and 77-92 form Kb.
229    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
230    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
231    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
232    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
233    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
234    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
236 4.3. Creating circuits
238    When creating a circuit through the network, the circuit creator
239    (OP) performs the following steps:
241       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
242          router's exit policy does not exclude all pending streams
243          that need a circuit.
245       2. Choose a chain of (N-1) chain of N onion routers
246          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
247          appears in the path twice.
249       3. If not already connected to the first router in the chain,
250          open a new connection to that router.
252       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
253          first router in the chain; send a CREATE cell along the
254          connection, to be received by the first onion router.
256       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
257          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
259       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
260          the circuit to R.
262    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
263    these steps:
265       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
267       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
268          the circuit (see section 5).
270       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
271          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
273    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
274    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
275    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
276    used on the connection between the two onion routers.  (But see
277    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
278    lexicographic order of nicknames.)
280    As an extension (called router twins), if the desired next onion
281    router R in the circuit is down, and some other onion router R'
282    has the same public keys as R, then it's ok to extend to R' rather than R.
284    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
285    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
286    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
287    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
288    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
289    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
290    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
292    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
293    until a break in traffic allows time to do so without harming
294    network latency too greatly.)
296 4.4. Tearing down circuits
298    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
299    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
300    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
301    either completely or hop-by-hop.
303    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
304    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
305    direction's circID.
307    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
308    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
309    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
310    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
311    down any associated edge connections (see section 5.1).
313    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
314    destroy cells for the corresponding circuit.
316    (The rest of this section is not currently used; on errors, circuits
317    are destroyed, not truncated.)
319    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
320    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
321    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
322    RELAY_TRUNCATED cell.
324    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
325    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
326    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
327    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
328    should send a DESTROY cell down the circuit.
330 4.5. Routing relay cells
332    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
333    determines whether it has a corresponding circuit along that
334    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
336    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
337    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
338    with AES/CTR, as follows:
339         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
340             Use Kf as key; decrypt.
341         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
342             Use Kb as key; encrypt.
344    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
345    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
346    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
347    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
348    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
349    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
350    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
352    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
353    with AES/CTR as follows:
354          OP receives data cell:
355             For I=N...1,
356                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
357                 section 5.1), then stop and process the payload.
359    For more information, see section 5 below.
361 5. Application connections and stream management
363 5.1. Relay cells
365    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
366    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
367    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
368    by either edge; streams are initiated by the OP.
370    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
371          Relay command           [1 byte]
372          'Recognized'            [2 bytes]
373          StreamID                [2 bytes]
374          Digest                  [4 bytes]
375          Length                  [2 bytes]
376          Data                    [498 bytes]
378    The relay commands are:
379          1 -- RELAY_BEGIN
380          2 -- RELAY_DATA
381          3 -- RELAY_END
382          4 -- RELAY_CONNECTED
383          5 -- RELAY_SENDME
384          6 -- RELAY_EXTEND
385          7 -- RELAY_EXTENDED
386          8 -- RELAY_TRUNCATE
387          9 -- RELAY_TRUNCATED
388         10 -- RELAY_DROP
389         11 -- RELAY_RESOLVE
390         12 -- RELAY_RESOLVED
392    The 'Recognized' field in any unencrypted relay payload is always
393    set to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes
394    of the running SHA-1 digest of all the bytes that have travelled
395    over this circuit, seeded from Df or Db respectively (obtained in
396    section 4.2 above), and including this RELAY cell's entire payload
397    (taken with the digest field set to zero).
399    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
400    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
401    decryption (see section 4.5 above).
403    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
404    same stream ID.  StreamIDs are chosen randomly by the OP.  RELAY
405    cells that affect the entire circuit rather than a particular
406    stream use a StreamID of zero.
408    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
409    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
410    the payload is padded with NUL bytes.
412 5.2. Opening streams and transferring data
414    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
415    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
416    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
417    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
418    and port of the destination host.  The payload format is:
420          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
422    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
423    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
424    and where PORT is encoded in decimal.
426    [What is the [00] for? -NM]
427    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
429    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
430    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
431    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
432    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
433    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
434    payload is the 4-byte IPv4 address or the 16-byte IPv6 address to which
435    the connection was made.
437    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
438    Once a connection has been established, the OP and exit node
439    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
440    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
441    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
443    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
444    a cell, the OR or OP must drop it.
446 5.3. Closing streams
448    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
449    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
450    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
451    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
452    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
453    circuit for that stream.
455    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
456    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
457    the reason.)  The values are:
459        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
460        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
461        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
462        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
463        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
464        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
465        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
466                                    while connecting)
467        8 -- (unallocated) [**]
468        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
469       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
470       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
471       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
472       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
473                                    Tor protocol violations.)
475    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
476    forms the optional data; no other reason currently has extra data.)
478    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
479    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
481    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
482        reset.
483    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
484         remain allocated until that version is obsolete.
486    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
488    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
489    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
491    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
492    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
493    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
494    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
495    onion router.
497    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
498    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
499    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
500    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
501    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
502    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
504    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
505    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
506    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
507    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
508    'CLOSED'.
510    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
511    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
513 5.4. Remote hostname lookup
515    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
516    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
517    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
518    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
519    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
520        Type   (1 octet)
521        Length (1 octet)
522        Value  (variable-width)
523    "Length" is the length of the Value field.
524    "Type" is one of:
525       0x00 -- Hostname
526       0x04 -- IPv4 address
527       0x06 -- IPv6 address
528       0xF0 -- Error, transient
529       0xF1 -- Error, nontransient
531     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
533     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
534     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
535     is actually created by the OR when resolving the name.
537 6. Flow control
539 6.1. Link throttling
541    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
542    user happy.
544    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
545    stop reading.
547 6.2. Link padding
549    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
550    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
551    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
552    for running a node, we plan to leave out link padding until this
553    tradeoff is better understood.
555 6.3. Circuit-level flow control
557    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
558    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
559    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
560    it is willing to deliver to streams outside the network.
561    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
562    in each direction (cells that are not data cells do not affect
563    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
564    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
565    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
566    packaging window.
568    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
570    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
571    window and a delivery window for every OR in the circuit.
573    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
574    corresponding window value falls under some threshold (900).
576    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
577    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
578    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
579 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
581 6.4. Stream-level flow control
583    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
584    control for individual connections across circuits. Similarly to
585    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
586    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
587    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
588    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
589    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
591 7. Directories and routers
593 7.1. Extensible information format
595 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
596 extensible information format.
598 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
599 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
600 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by a space and more
601 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
602 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
603 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
605 More formally:
607     Document ::= (Item | NL)+
608     Item ::= KeywordLine Object*
609     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword SP ArgumentsChar+ NL
610     Keyword = KeywordChar+
611     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
612     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
613     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
614     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
615     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
617     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
619 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
620 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
622 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
623 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
624 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
625 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
627 7.1. Router descriptor format.
629 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
630 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
631 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
632 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
633 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
634 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
635 order.
637 The items' formats are as follows:
638    "router" nickname address (ORPort SocksPort DirPort)?
640       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address" must be an
641       IPv4 address in dotted-quad format.  The Port values will soon be
642       deprecated; using them here is equivalent to using them in a "ports"
643       item.
645    "ports" ORPort SocksPort DirPort
647       Indicates the TCP ports at which this OR exposes functionality.
648       ORPort is a port at which this OR accepts TLS connections for the main
649       OR protocol;  SocksPort is the port at which this OR accepts SOCKS
650       connections; and DirPort is the port at which this OR accepts
651       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported, the
652       value 0 is given instead of a port number.
654    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
656       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
657       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
658       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
659       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
660       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
661       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
662       over any ten second period in the past day, and another sustained
663       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
665       [bandwidth-observed was not present before 0.0.8.]
667    "platform" string
669       A human-readable string describing the system on which this OR is
670       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
671       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
673    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
675       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
677    "fingerprint"
679       A fingerprint (20 byte SHA1 hash of asn1 encoded public key, encoded
680       in hex, with spaces after every 4 characters) for this router's
681       identity key.
683    "uptime"
685       The number of seconds that this OR process has been running.
687    "onion-key" NL a public key in PEM format
689       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
690       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
691       a subsequent descriptor.
693    "signing-key" NL a public key in PEM format
695       The OR's long-term identity key.
697    "accept" exitpattern
698    "reject" exitpattern
700        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
701        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
702        'exitpattern' syntax is described below.
704    "router-signature" NL Signature NL
706        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded SHA1
707        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
708        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
709        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
710        with the router's identity key.
712    "dircacheport" port NL
714        Same as declaring "port" as this OR's directory port in the 'router'
715        line. At most one of dircacheport and the directory port in the router
716        line may be non-zero.
718        [Obsolete; will go away once 0.0.8 is dead.  Older versions of Tor
719        did poorly when non-authoritative directories had a non-zero directory
720        port.  To transition, Tor 0.0.8 used dircacheport for
721        nonauthoritative directories.]
723    "contact" info NL
725        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
726        including an email address and a PGP key fingerprint.
728    "family" names NL
730        'Names' is a space-separated list of server nicknames. If two ORs
731        list one another in their "family" entries, then OPs should treat
732        them as a single OR for the purpose of path selection.
734        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
735        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
736        be used on the same circuit.
738    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
739    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
741        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
742        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
743        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
744        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
746 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
748 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
749 portspec ::= "*" | port | port "-" port
750 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
751 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
752 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
753 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
754 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
755 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
756 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
757 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
758 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
760 Ports are required; if they are not included in the router
761 line, they must appear in the "ports" lines.
763 7.2. Directory format
765 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
766 the following, in any order: "recommended-software", "published",
767 "router-status", "directory-signing-key".  It may include any number of "opt"
768 items.  After these items, a directory includes any number of router
769 descriptors, and a single "directory-signature" item.
771     "signed-directory"
773         Indicates the start of a directory.
775     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
777         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
779     "directory-signing-key"
781         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
783     "recommended-software"  comma-separated-version-list
785         A list of which versions of which implementations are currently
786         believed to be secure and compatible with the network.
788     "running-routers" space-separated-list
790         A description of which routers are currently believed to be up or
791         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
792         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
793         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
794         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
795         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
796         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
797         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
798         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
799         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
800         instead.]
802     "router-status" space-separated-list
804         A description of which routers are currently believed to be up or
805         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
806         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
807         format:
809               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
810               name=$digest   [Verified router, currently live.]
811               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
812           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
814         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
815         encoding of the hash of the routers' identity key).
817         When parsing this line, clients should only mark a router as
818         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
819         [XXXX 'router-status' was added in 0.0.9pre5; older directory code
820         uses 'running-routers' instead.]
822     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
824 Note:  The router descriptor for the directory server MUST appear first.
825 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
826 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
827 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
828 and signed with the directory server's signing key.
830 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
831 it should reject only that router descriptor, and continue using the
832 others.  If it encounters an unrecognized keyword in the directory header,
833 it should reject the entire directory.
835 7.3. Network-status descriptor
837 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
838 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
839 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
840 entries.
842      "network-status"
844         Must appear first.
846      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
848         (see 7.2 above)
850      "router-status" list
852         (see 7.2 above)
854      "directory-signature" NL signature
856         (see 7.2 above)
858 7.4. Behavior of a directory server
860 lists nodes that are connected currently
861 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
863 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
864 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
865 The basic interactions are:
866   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
867     command, url, content-length, host.
868   Get "/tor/" to fetch a full directory.
869   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
870   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
871   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
872     request containing the descriptor.
874   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
875   the request can survive going through HTTP proxies.
877 A.1. Differences between spec and implementation
879 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
880   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
881   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
882   support at all.