Funny. I could have sworn that it compiled.
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blob5ef7bfcdd4099c1e64c9e6827f8340245a655f6a
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.
18 when do we rotate which keys (tls, link, etc)?
20 0. Notation:
22    PK -- a public key.
23    SK -- a private key
24    K  -- a key for a symmetric cypher
26    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
28    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
29    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
31    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
33    Unless otherwise specified, all symmetric ciphers are AES in counter
34    mode, with an IV of all 0 bytes.  Asymmetric ciphers are either RSA
35    with 1024-bit keys and exponents of 65537, or DH where the generator (g)
36    is 2 and the modulus (p) is the 1024-bit safe prime from rfc2409,
37    section 6.2, whose hex representation is:
39      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
40      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
41      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
42      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
43      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
45    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
46    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
47    than once.
49    All "hashes" are 20-byte SHA1 cryptographic digests.
51    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA1 hash of the
52    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
54 1. System overview
56    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
57    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
58    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
59    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
60    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
61    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
62    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
63    the layers of an onion) and relayed downstream.
65 2. Connections
67    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
68    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
69    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
70    allows mutual authentication.
72    Tor uses TLS for link encryption.  All implementations MUST support
73    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
74    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
75    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
76    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
77    least 128 bits, and digests of at least 160 bits.
79    An OP or OR always sends a two-certificate chain, consisting of a
80    certificate using a short-term connection key and a second, self-
81    signed certificate containing the OR's identity key. The commonName of the
82    first certificate is the OR's nickname, and the commonName of the second
83    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
84    "<identity>".
86    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
87    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
88    the one given in the directory; when creating a connection because of an
89    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
90    the key is not as expected, the party must close the connection.
92    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
93    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
94    with malformed or missing certificates.
96    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
97    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
98    cells are 512 bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
99    records of any size or divided across TLS records, but the framing
100    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
101    of the cells.
103    TLS connections are not permanent. An OP or an OR may close a
104    connection to an OR if there are no circuits running over the
105    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
106    minutes) has passed.
108    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
109    the ORs.)
111 3. Cell Packet format
113    The basic unit of communication for onion routers and onion
114    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
115    fields:
117         CircID                                [2 bytes]
118         Command                               [1 byte]
119         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
120                                          [Total size: 512 bytes]
122    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
123    associated with.
125    The 'Command' field holds one of the following values:
126          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
127          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
128          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
129          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
130          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
131          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See sec 4)
132          6 -- CREATED_FAST (Circtuit created, no PK) (See Sec 4)
134    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
135       PADDING: Payload is unused.
136       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
137       CREATED: Payload contains the handshake response.
138       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
139       DESTROY: Payload is unused.
140    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
141    drop the cell.
143    The payload is padded with 0 bytes.
145    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
146    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
147    cell every few minutes.
149    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
150    see section 4 below.
152    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
153    section 5 below.
155 4. Circuit management
157 4.1. CREATE and CREATED cells
159    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
160    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
161    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
162    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
163    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
164    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
165    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
166    to extend the circuit.
168    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
169    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
171    The data is encrypted to Bob's PK as follows: Suppose Bob's PK
172    modulus is L octets long. If the data to be encrypted is shorter
173    than L-42, then it is encrypted directly (with OAEP padding: see
174    ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf). If the
175    data is at least as long as L-42, then a randomly generated 16-byte
176    symmetric key is prepended to the data, after which the first L-16-42
177    bytes of the data are encrypted with Bob's PK; and the rest of the
178    data is encrypted with the symmetric key.
180    So in this case, the onion skin on the wire looks like:
181        RSA-encrypted:
182          OAEP padding                  [42 bytes]
183          Symmetric key                 [16 bytes]
184          First part of g^x             [70 bytes]
185        Symmetrically encrypted:
186          Second part of g^x            [58 bytes]
188    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
189          Address                       [4 bytes]
190          Port                          [2 bytes]
191          Onion skin                    [186 bytes]
192          Identity fingerprint          [20 bytes]
194    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
195    onion router in the circuit; the public key hash is the SHA1 hash of the
196    PKCS#1 ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.
197 [XXX please describe why we have this hash. my first guess is that this
198 way we can notice that we're already connected to this guy even if he's
199 connected at a different place. anything else? -RD]
201    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
202    EXTENDED cell, contains:
203          DH data (g^y)                 [128 bytes]
204          Derivative key data (KH)      [20 bytes]   <see 4.2 below>
206    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
207    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
208    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
209    from only one half of the possible values based on the ORs' public
210    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
211    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
213    Public keys are compared numerically by modulus.
215    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
216    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
217    implementations should notice when the other side of a connection is
218    sending CREATE cells with the "wrong" MSB, and switch accordingly.)
220 4.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
222    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
223    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
224    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
225    public key operations to create a circuit.  In this case, the
226    OP SHOULD send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
227    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
228    created.
230    A CREATE_FAST cell contains:
232        Key material (X)    [20 bytes]
234    A CREATED_FAST cell contains:
236        Key material (Y)    [20 bytes]
237        Derivative key data [20 bytes]
239    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
240     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
242 4.2. Setting circuit keys
244    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both servers can
245    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
246    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
247    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
248    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
249    with degenerate keys.  Implementions MAY discard other "weak" g^x values.
251    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys are not
252    discarded, an attacker can substitute the server's CREATED cell's g^y with
253    0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating the server.)
255    (The mainline Tor implementation, in the 0.1.1.x-alpha series, also
256    discarded all g^x values that are less than 2^24, that are greater than
257    p-2^24, or that have more than 1024-16 identical bits.  This serves no
258    useful purpose, and will probably stop soon.)
260    From the base key material g^xy, they compute derivative key material as
261    follows.  First, the server represents g^xy as a big-endian unsigned
262    integer.  Next, the server computes 100 bytes of key data as K = SHA1(g^xy
263    | [00]) | SHA1(g^xy | [01]) | ... SHA1(g^xy | [04]) where "00" is a single
264    octet whose value is zero, [01] is a single octet whose value is one, etc.
265    The first 20 bytes of K form KH, bytes 21-40 form the forward digest Df,
266    41-60 form the backward digest Db, 61-76 form Kf, and 77-92 form Kb.
268    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
269    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
270    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
271    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
272    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
273    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
275    The fast-setup case uses the same formula, except that X|Y is used
276    in place of g^xy in determining K.  That is,
277       K = SHA1(X|Y | [00]) | SHA1(X|Y | [01]) | ... SHA1(X|Y| | [04])
278    The values KH, Kf, Kb, Df, and Db are established and used as before.
280 4.3. Creating circuits
282    When creating a circuit through the network, the circuit creator
283    (OP) performs the following steps:
285       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
286          router's exit policy does not exclude all pending streams
287          that need a circuit.
289       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
290          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
291          appears in the path twice.
293       3. If not already connected to the first router in the chain,
294          open a new connection to that router.
296       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
297          first router in the chain; send a CREATE cell along the
298          connection, to be received by the first onion router.
300       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
301          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
303       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
304          the circuit to R.
306    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
307    these steps:
309       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
311       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
312          the circuit (see section 5).
314       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
315          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
317    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
318    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
319    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
320    used on the connection between the two onion routers.  (But see
321    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
322    lexicographic order of nicknames.)
324    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
325    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
326    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
327    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
328    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
329    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
330    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
332    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
333    until a break in traffic allows time to do so without harming
334    network latency too greatly.)
336 4.4. Tearing down circuits
338    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
339    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
340    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
341    either completely or hop-by-hop.
343    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
344    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
345    direction's circID.
347    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
348    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
349    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
350    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
351    down any associated edge connections (see section 5.1).
353    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
354    destroy cells for the corresponding circuit.
356    (The rest of this section is not currently used; on errors, circuits
357    are destroyed, not truncated.)
359    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
360    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
361    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
362    RELAY_TRUNCATED cell.
364    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
365    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
366    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
367    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
368    should send a DESTROY cell down the circuit.
370 4.5. Routing relay cells
372    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
373    determines whether it has a corresponding circuit along that
374    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
376    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
377    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
378    with AES/CTR, as follows:
379         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
380             Use Kf as key; decrypt.
381         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
382             Use Kb as key; encrypt.
383    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
385    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
386    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
387    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
388    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
389    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
390    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
391    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
393    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
394    with AES/CTR as follows:
395          OP receives data cell:
396             For I=N...1,
397                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
398                 section 5.1), then stop and process the payload.
400    For more information, see section 5 below.
402 5. Application connections and stream management
404 5.1. Relay cells
406    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
407    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
408    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
409    by either edge; streams are initiated by the OP.
411    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
412          Relay command           [1 byte]
413          'Recognized'            [2 bytes]
414          StreamID                [2 bytes]
415          Digest                  [4 bytes]
416          Length                  [2 bytes]
417          Data                    [498 bytes]
419    The relay commands are:
420          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
421          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
422          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
423          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
424          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward]
425          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]
426          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]
427          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]
428          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]
429         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward]
430         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
431         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
433    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
434    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
435    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
436    as either can be sent either by the originator or other nodes.
438    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
439    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
440    the running SHA-1 digest of all the bytes that have been destined for
441    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
442    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 4.2 above),
443    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
444    field set to zero).
446    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
447    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
448    decryption (see section 4.5 above).
450    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
451    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
452    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
453    digest does not match, the running digest at that node should
454    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
456    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
457    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
458    cells that affect the entire circuit rather than a particular
459    stream use a StreamID of zero.
461    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
462    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
463    the payload is padded with NUL bytes.
465    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
466    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
467    still count with respect to the digests, though. [Up until
468    0.1.1.10, Tor closed circuits when it received an unknown relay
469    command. Perhaps this will be more forward-compatible. -RD]
471 5.2. Opening streams and transferring data
473    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
474    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
475    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
476    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
477    and port of the destination host.  The payload format is:
479          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
481    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
482    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
483    and where PORT is encoded in decimal.
485    [What is the [00] for? -NM]
486    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
488    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
489    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
490    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
491    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
492    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
493    payload is in one of the following formats:
494        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
495        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
496     or
497        Four zero-valued octets [4 octets]
498        An address type (6)     [1 octet]
499        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
500        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
501    [XXXX Versions of Tor before 0.1.1.6 ignore and do not generate the TTL
502    field.  No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
504    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
505    Once a connection has been established, the OP and exit node
506    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
507    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
508    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
510    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
511    a cell, the OR or OP must drop it.
513 5.3. Closing streams
515    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
516    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
517    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
518    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
519    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
520    circuit for that stream.
522    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
523    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
524    the reason.)  The values are:
526        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
527        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
528        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
529        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
530        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
531        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
532        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
533                                    while connecting)
534        8 -- (unallocated) [**]
535        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
536       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
537       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
538       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
539       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
540                                    Tor protocol violations.)
542    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
543    forms the optional data; no other reason currently has extra data.
544    As of 0.1.1.6, the body also contains a 4-byte TTL.)
546    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
547    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
549    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
550        reset.
551    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
552         remain allocated until that version is obsolete.
554    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
556    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
557    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
559    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
560    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
561    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
562    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
563    onion router.
565    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
566    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
567    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
568    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
569    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
570    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
572    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
573    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
574    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
575    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
576    'CLOSED'.
578    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
579    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
581 5.4. Remote hostname lookup
583    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
584    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
585    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
586    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
587    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
588        Type   (1 octet)
589        Length (1 octet)
590        Value  (variable-width)
591        TTL    (4 octets)
592    "Length" is the length of the Value field.
593    "Type" is one of:
594       0x00 -- Hostname
595       0x04 -- IPv4 address
596       0x06 -- IPv6 address
597       0xF0 -- Error, transient
598       0xF1 -- Error, nontransient
600     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
602     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
603     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
604     is actually created by the OR when resolving the name.
606 6. Flow control
608 6.1. Link throttling
610    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
611    user happy.
613    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
614    stop reading.
616 6.2. Link padding
618    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
619    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
620    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
621    for running a node, we plan to leave out link padding until this
622    tradeoff is better understood.
624 6.3. Circuit-level flow control
626    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
627    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
628    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
629    it is willing to deliver to streams outside the network.
630    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
631    in each direction (cells that are not data cells do not affect
632    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
633    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
634    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
635    packaging window.
637    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
639    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
640    window and a delivery window for every OR in the circuit.
642    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
643    corresponding window value falls under some threshold (900).
645    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
646    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
647    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
648 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
650 6.4. Stream-level flow control
652    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
653    control for individual connections across circuits. Similarly to
654    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
655    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
656    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
657    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
658    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
660 7. Directories and routers
662 7.1. Extensible information format
664 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
665 extensible information format.
667 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
668 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
669 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by a space and more
670 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
671 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
672 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
674 More formally:
676     Document ::= (Item | NL)+
677     Item ::= KeywordLine Object*
678     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword SP ArgumentsChar+ NL
679     Keyword = KeywordChar+
680     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
681     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
682     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
683     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
684     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
686     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
688 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
689 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
691 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
692 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
693 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
694 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
696 7.2. Router descriptor format.
698 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
699 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
700 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
701 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
702 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
703 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
704 order.
706 The items' formats are as follows:
707    "router" nickname address (ORPort SocksPort DirPort)?
709       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address" must be an
710       IPv4 address in dotted-quad format.  The Port values will soon be
711       deprecated; using them here is equivalent to using them in a "ports"
712       item.
714    "ports" ORPort SocksPort DirPort
716       Indicates the TCP ports at which this OR exposes functionality.
717       ORPort is a port at which this OR accepts TLS connections for the main
718       OR protocol;  SocksPort is the port at which this OR accepts SOCKS
719       connections; and DirPort is the port at which this OR accepts
720       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported, the
721       value 0 is given instead of a port number.
723    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
725       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
726       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
727       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
728       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
729       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
730       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
731       over any ten second period in the past day, and another sustained
732       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
734    "platform" string
736       A human-readable string describing the system on which this OR is
737       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
738       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
740    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
742       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
744    "fingerprint"
746       A fingerprint (20 byte SHA1 hash of asn1 encoded public key, encoded
747       in hex, with spaces after every 4 characters) for this router's
748       identity key.
750       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
751        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
753    "hibernating" 0|1
755       If the value is 1, then the Tor server was hibernating when the
756       descriptor was published, and shouldn't be used to build circuits.
758       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
759        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
761    "uptime"
763       The number of seconds that this OR process has been running.
765    "onion-key" NL a public key in PEM format
767       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
768       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
769       a subsequent descriptor.
771    "signing-key" NL a public key in PEM format
773       The OR's long-term identity key.
775    "accept" exitpattern
776    "reject" exitpattern
778        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
779        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
780        'exitpattern' syntax is described below.
782    "router-signature" NL Signature NL
784        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded SHA1
785        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
786        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
787        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
788        with the router's identity key.
790    "contact" info NL
792        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
793        including an email address and a PGP key fingerprint.
795    "family" names NL
797        'Names' is a space-separated list of server nicknames. If two ORs
798        list one another in their "family" entries, then OPs should treat
799        them as a single OR for the purpose of path selection.
801        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
802        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
803        be used on the same circuit.
805    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
806    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
808        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
809        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
810        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
811        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
813        [We didn't start parsing these lines until Tor 0.1.0.6-rc; they should
814         be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
816 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
818 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
819 portspec ::= "*" | port | port "-" port
820 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
821 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
822 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
823 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
824 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
825 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
826 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
827 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
828 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
830 Ports are required; if they are not included in the router
831 line, they must appear in the "ports" lines.
833 7.3. Directory format
835 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
836 the following, in any order: "recommended-software", "published",
837 "router-status", "dir-signing-key".  It may include any number of "opt"
838 items.  After these items, a directory includes any number of router
839 descriptors, and a single "directory-signature" item.
841     "signed-directory"
843         Indicates the start of a directory.
845     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
847         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
849     "dir-signing-key"
851         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
853     "recommended-software"  comma-separated-version-list
855         A list of which versions of which implementations are currently
856         believed to be secure and compatible with the network.
858     "running-routers" space-separated-list
860         A description of which routers are currently believed to be up or
861         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
862         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
863         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
864         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
865         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
866         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
867         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
868         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
869         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
870         instead.]
872     "router-status" space-separated-list
874         A description of which routers are currently believed to be up or
875         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
876         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
877         format:
879               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
880               name=$digest   [Verified router, currently live.]
881               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
882           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
884         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
885         encoding of the hash of the routers' identity key).
887         When parsing this line, clients should only mark a router as
888         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
890     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
892 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
893 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
894 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
895 and signed with the directory server's signing key.
897 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
898 it MUST reject only that router descriptor, and continue using the
899 others.  Because this mechanism is used to add 'critical' extensions to
900 future versions of the router descriptor format, implementation should treat
901 it as a normal occurrence and not, for example, report it to the user as an
902 error.  [Versions of Tor prior to 0.1.1 did this.]
904 If software encounters an unrecognized keyword in the directory header,
905 it SHOULD reject the entire directory.
907 7.4. Network-status descriptor
909 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
910 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
911 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
912 entries.
914      "network-status"
916         Must appear first.
918      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
920         (see 7.3 above)
922      "router-status" list
924         (see 7.3 above)
926      "directory-signature" NL signature
928         (see 7.3 above)
930 7.5. Behavior of a directory server
932 lists nodes that are connected currently
933 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
935 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
936 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
937 The basic interactions are:
938   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
939     command, url, content-length, host.
940   Get "/tor/" to fetch a full directory.
941   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
942   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
943   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
944     request containing the descriptor.
946   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
947   the request can survive going through HTTP proxies.
949 A.1. Differences between spec and implementation
951 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
952   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
953   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
954   support at all.
956 B. Things that should change in a later version of the Tor protocol
959 B.1. ... but which will require backward-incompatible change
961   - Circuit IDs should be longer.
962   - IPv6 everywhere.
963   - Maybe, keys should be longer.
964   - Drop backward compatibility.
965   - We should use a 128-bit subgroup of our DH prime.
966   - Handshake should use HMAC.
967   - Multiple cell lengths
968   - Ability to split circuits across paths (If this is useful.)
969   - SENDME windows should be dynamic.
971   - Directory
972      - Stop ever mentioning socks ports
974 B.1. ... and that will require no changes
976    - Mention multiple addr/port combos
977    - Advertised outbound IP?
978    - Migrate streams across circuits.
980 B.2. ... and that we have no idea how to do.
982    - UDP (as transport)
983    - UDP (as content)
984    - Use a better AES mode that has built-in integrity checking,
985      doesn't grow with the number of hops, is not patented, and
986      is implemented and maintained by smart people.