Add rc.subr from Peter Thoenen. I have no idea what an rc.subr is, but apparently...
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blob347397ce6488fe1e3799e356ba98a948bb11f9b2
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. Preliminaries
22 0.1.  Notation and encoding
24    PK -- a public key.
25    SK -- a private key
26    K  -- a key for a symmetric cypher
28    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
30    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
31    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
33    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
35    H(m) -- a cryptographic hash of m.
37 0.2. Security parameters
39    Tor uses a stream cipher, a public-key cipher, the Diffie-Hellman
40    protocol, and and a hash function.
42    KEY_LEN -- the length of the stream cipher's key, in bytes.
44    PK_ENC_LEN -- the length of a public-key encrypted message, in bytes.
45    PK_PAD_LEN -- the number of bytes added in padding for public-key
46      encryption, in bytes. (The largest number of bytes that can be encrypted
47      in a single public-key operation is therefore PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN.)
49    DH_LEN -- the number of bytes used to represent a member of the
50      Diffie-Hellman group.
51    DH_SEC_LEN -- the number of bytes used in a Diffie-Hellman private key (x).
53    HASH_LEN -- the length of the hash function's output, in bytes.
55    CELL_LEN -- The length of a Tor cell, in bytes.
57 0.3. Ciphers
59    For a stream cipher, we use 128-bit AES in counter mode, with an IV of all
60    0 bytes.
62    For a public-key cipher, we use RSA with 1024-bit keys and a fixed
63    exponent of 65537.  We use OAEP padding, with SHA-1 as its digest
64    function.   (For OAEP padding, see
65    ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf)
67    For Diffie-Hellman, we use a generator (g) of 2.  For the modulus (p), the
68    1024-bit safe prime from rfc2409, (section 6.2) whose hex representation
69    is:
71      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
72      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
73      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
74      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
75      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
76    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
77    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
78    than once.
80    For a hash function, we use SHA-1.
82    KEY_LEN=16.
83    DH_LEN=128; DH_GROUP_LEN=40.
84    PK_ENC_LEN=128; PK_PAD_LEN=42.
85    HASH_LEN=20.
87    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA-1 hash of the
88    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
90    All "random" values should be generated with a cryptographically strong
91    random number generator, unless otherwise noted.
93    The "hybrid encryption" of a byte sequence M with a public key PK is
94    computed as follows:
95       1. If M is less than PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN, pad and encrypt M with PK.
96       2. Otherwise, generate a KEY_LEN byte random key K.
97          Let M1 = the first PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes of M,
98          and let M2 = the rest of M.
99          Pad and encrypt K|M1 with PK.  Encrypt M2 with our stream cipher,
100          using the key K.  Concatenate these encrypted values.
101    (Note that this "hybrid encryption" approach does not prevent an attacker
102    from adding or removing bytes to the end of M.)
104 0.4. Other parameter values
106    CELL_LEN=512
108 1. System overview
110    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
111    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
112    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
113    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
114    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
115    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
116    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
117    the layers of an onion) and relayed downstream.
119 2. Connections
121    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
122    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
123    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
124    allows mutual authentication.
126    Tor uses TLS for link encryption.  All implementations MUST support
127    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
128    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
129    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
130    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
131    least KEY_LEN bits, and digests of at least HASH_LEN bits.
133    An OP or OR always sends a two-certificate chain, consisting of a
134    certificate using a short-term connection key and a second, self-
135    signed certificate containing the OR's identity key. The commonName of the
136    first certificate is the OR's nickname, and the commonName of the second
137    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
138    "<identity>".
140    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
141    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
142    the one given in the directory; when creating a connection because of an
143    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
144    the key is not as expected, the party must close the connection.
146    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
147    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
148    with malformed or missing certificates.
150    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
151    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
152    cells are CELL_LEN bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
153    records of any size or divided across TLS records, but the framing
154    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
155    of the cells.
157    TLS connections are not permanent. An OP or an OR may close a
158    connection to an OR if there are no circuits running over the
159    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
160    minutes) has passed.
162    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
163    the ORs.)
165 3. Cell Packet format
167    The basic unit of communication for onion routers and onion
168    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
169    fields:
171         CircID                                [2 bytes]
172         Command                               [1 byte]
173         Payload (padded with 0 bytes)         [CELL_LEN-3 bytes]
174                                          [Total size: CELL_LEN bytes]
176    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
177    associated with.
179    The 'Command' field holds one of the following values:
180          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
181          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
182          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
183          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
184          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
185          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See sec 4)
186          6 -- CREATED_FAST (Circtuit created, no PK) (See Sec 4)
188    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
189       PADDING: Payload is unused.
190       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
191       CREATED: Payload contains the handshake response.
192       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
193       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
194                (see 4.4)
195    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
196    drop the cell.
198    The payload is padded with 0 bytes.
200    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
201    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
202    cell every few minutes.
204    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
205    see section 4 below.
207    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
208    section 5 below.
210 4. Circuit management
212 4.1. CREATE and CREATED cells
214    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
215    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
216    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
217    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
218    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
219    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
220    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
221    to extend the circuit.
223    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
224    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
225    This value is hybrid-encrypted (see 0.3) to Bob's public key, giving
226    an onion-skin of:
227        PK-encrypted:
228          Padding padding               [PK_PAD_LEN bytes]
229          Symmetric key                 [KEY_LEN bytes]
230          First part of g^x             [PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes]
231        Symmetrically encrypted:
232          Second part of g^x            [DH_LEN-(PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN)
233                                            bytes]
235    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
236          Address                       [4 bytes]
237          Port                          [2 bytes]
238          Onion skin                    [DH_LEN+KEY_LEN+PK_PAD_LEN bytes]
239          Identity fingerprint          [HASH_LEN bytes]
241    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
242    onion router in the circuit; the public key hash is the hash of the PKCS#1
243    ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.  (See 0.3
244    above.)  (Including this hash allows the extending OR verify that it is
245    indeed connected to the correct target OR, and prevents certain
246    man-in-the-middle attacks.)
248    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
249    EXTENDED cell, contains:
250          DH data (g^y)                 [DH_LEN bytes]
251          Derivative key data (KH)      [HASH_LEN bytes]   <see 4.2 below>
253    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
254    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
255    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
256    from only one half of the possible values based on the ORs' public
257    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
258    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
260    Public keys are compared numerically by modulus.
262    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
264    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
265    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
266    implementations should notice when the other side of a connection is
267    sending CREATE cells with the "wrong" MSB, and switch accordingly.)
269 4.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
271    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
272    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
273    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
274    public key operations to create a circuit.  In this case, the
275    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
276    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
277    created.
279    A CREATE_FAST cell contains:
281        Key material (X)    [HASH_LEN bytes]
283    A CREATED_FAST cell contains:
285        Key material (Y)    [HASH_LEN bytes]
286        Derivative key data [HASH_LEN bytes] (See 4.2 below)
288    The values of X and Y must be generated randomly.
290    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
291     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
293 4.2. Setting circuit keys
295    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
296    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
297    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
298    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
299    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
300    with degenerate keys.  Implementations MAY discard other "weak" g^x values.
302    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys are not
303    discarded, an attacker can substitute the server's CREATED cell's g^y with
304    0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating the server.)
306    (The mainline Tor implementation, in the 0.1.1.x-alpha series, discarded
307    all g^x values less than 2^24, greater than p-2^24, or having more than
308    1024-16 identical bits.  This served no useful purpose, and we stopped.)
310    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
311    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
312    integer.
314    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
315    K0=X|Y.
317    From the base key material K0, they compute KEY_LEN*2+HASH_LEN*3 bytes of
318    derivative key data as
319        K = H(K0 | [00]) | H(K0 | [01]) | H(K0 | [02]) | ...
321    The first HASH_LEN bytes of K form KH; the next HASH_LEN form the forward
322    digest Df; the next HASH_LEN 41-60 form the backward digest Db; the next
323    KEY_LEN 61-76 form Kf, and the final KEY_LEN form Kb.  Excess bytes from K
324    are discarded.
326    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
327    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
328    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
329    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
330    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
331    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
333 4.3. Creating circuits
335    When creating a circuit through the network, the circuit creator
336    (OP) performs the following steps:
338       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
339          router's exit policy includes at least one pending stream that
340          needs a circuit (if there are any).
342       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
343          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
344          appears in the path twice.
346       3. If not already connected to the first router in the chain,
347          open a new connection to that router.
349       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
350          first router in the chain; send a CREATE cell along the
351          connection, to be received by the first onion router.
353       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
354          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
356       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
357          the circuit to R.
359    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
360    these steps:
362       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
364       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
365          the circuit (see section 5).
367       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
368          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
370    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
371    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
372    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
373    used on the connection between the two onion routers.  (But see
374    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
375    lexicographic order of nicknames.)
377    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
378    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
379    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
380    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
381    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
382    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
383    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
385    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
386    until a break in traffic allows time to do so without harming
387    network latency too greatly.)
389 4.4. Tearing down circuits
391    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
392    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
393    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
394    either completely or hop-by-hop.
396    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
397    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
398    direction's circID.
400    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
401    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
402    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
403    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
404    down any associated edge connections (see section 5.1).
406    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
407    destroy cells for the corresponding circuit.
409    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
410    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
411    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
412    RELAY_TRUNCATED cell.
414    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
415    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
416    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
417    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
418    should send a DESTROY cell down the circuit.
420    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
421    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
422    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
423    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
424    this error code to 0, to avoid leaking its version.
426    The error codes are:
427      0 -- NONE            (No reason given.)
428      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
429      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
430      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
431      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
432      5 -- RESOURCELIMIT (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
433      6 -- CONNECTFAILED (Unable to reach server.)
434      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
435                            as expected.)
436      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
437                            died.)
439    [Versions of Tor prior to 0.1.0.11 didn't sent versions; implementations
440    MUST accept empty TRUNCATED and DESTROY cells.]
442 4.5. Routing relay cells
444    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
445    determines whether it has a corresponding circuit along that
446    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
448    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
449    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
450    with the stream cipher, as follows:
451         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
452             Use Kf as key; decrypt.
453         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
454             Use Kb as key; encrypt.
455    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
457    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
458    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
459    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
460    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
461    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
462    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
463    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
465    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
466    with the stream cipher as follows:
467          OP receives data cell:
468             For I=N...1,
469                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
470                 section 5.1), then stop and process the payload.
472    For more information, see section 5 below.
474 5. Application connections and stream management
476 5.1. Relay cells
478    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
479    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
480    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
481    by either edge; streams are initiated by the OP.
483    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
484          Relay command           [1 byte]
485          'Recognized'            [2 bytes]
486          StreamID                [2 bytes]
487          Digest                  [4 bytes]
488          Length                  [2 bytes]
489          Data                    [CELL_LEN-14 bytes]
491    The relay commands are:
492          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
493          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
494          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
495          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
496          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward]
497          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]
498          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]
499          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]
500          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]
501         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward]
502         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
503         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
505    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
506    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
507    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
508    as either can be sent either by the originator or other nodes.
510    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
511    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
512    the running digest of all the bytes that have been destined for
513    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
514    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 4.2 above),
515    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
516    field set to zero).
518    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
519    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
520    decryption (see section 4.5 above).
522    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
523    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
524    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
525    digest does not match, the running digest at that node should
526    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
528    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
529    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
530    cells that affect the entire circuit rather than a particular
531    stream use a StreamID of zero.
533    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
534    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
535    the payload is padded with NUL bytes.
537    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
538    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
539    still count with respect to the digests, though. [Before
540    0.1.1.10, Tor closed circuits when it received an unknown relay
541    command. Perhaps this will be more forward-compatible. -RD]
543 5.2. Opening streams and transferring data
545    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
546    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
547    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
548    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
549    and port of the destination host.  The payload format is:
551          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
553    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
554    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
555    and where PORT is encoded in decimal.
557    [What is the [00] for? -NM]
558    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
560    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
561    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
562    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
563    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
564    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
565    payload is in one of the following formats:
566        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
567        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
568     or
569        Four zero-valued octets [4 octets]
570        An address type (6)     [1 octet]
571        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
572        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
573    [XXXX Versions of Tor before 0.1.1.6 ignore and do not generate the TTL
574    field.  No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
576    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
577    Once a connection has been established, the OP and exit node
578    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
579    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
580    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
582    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
583    a cell, the OR or OP must drop it.
585 5.3. Closing streams
587    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
588    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
589    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
590    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
591    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
592    circuit for that stream.
594    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
595    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
596    the reason.)  The values are:
598        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
599        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
600        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
601        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
602        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
603        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
604        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
605                                    while connecting)
606        8 -- (unallocated) [**]
607        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
608       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
609       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
610       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
611       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
612                                    Tor protocol violations.)
614    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
615    forms the optional data; no other reason currently has extra data.
616    As of 0.1.1.6, the body also contains a 4-byte TTL.)
618    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
619    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
621    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
622        reset.
623    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
624         remain allocated until that version is obsolete.
626    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
628    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
629    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
631    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
632    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
633    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
634    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
635    onion router.
637    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
638    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
639    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
640    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
641    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
642    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
644    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
645    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
646    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
647    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
648    'CLOSED'.
650    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
651    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
653 5.4. Remote hostname lookup
655    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
656    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
657    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
658    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
659    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
660        Type   (1 octet)
661        Length (1 octet)
662        Value  (variable-width)
663        TTL    (4 octets)
664    "Length" is the length of the Value field.
665    "Type" is one of:
666       0x00 -- Hostname
667       0x04 -- IPv4 address
668       0x06 -- IPv6 address
669       0xF0 -- Error, transient
670       0xF1 -- Error, nontransient
672     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
674     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
675     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
676     is actually created by the OR when resolving the name.
678 6. Flow control
680 6.1. Link throttling
682    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
683    user happy.
685    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
686    stop reading.
688 6.2. Link padding
690    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
691    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
692    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
693    for running a node, we plan to leave out link padding until this
694    tradeoff is better understood.
696 6.3. Circuit-level flow control
698    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
699    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
700    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
701    it is willing to deliver to streams outside the network.
702    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
703    in each direction (cells that are not data cells do not affect
704    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
705    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
706    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
707    packaging window.
709    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
711    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
712    window and a delivery window for every OR in the circuit.
714    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
715    corresponding window value falls under some threshold (900).
717    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
718    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
719    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
720 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
722 6.4. Stream-level flow control
724    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
725    control for individual connections across circuits. Similarly to
726    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
727    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
728    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
729    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
730    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
732 7. Directories and routers
734 7.1. Extensible information format
736 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
737 extensible information format.
739 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
740 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
741 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by whitespace and more
742 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
743 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
744 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
746 More formally:
748     Document ::= (Item | NL)+
749     Item ::= KeywordLine Object*
750     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword WS ArgumentsChar+ NL
751     Keyword = KeywordChar+
752     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
753     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
754     WS = (SP | TAB)+
755     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
756     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
757     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
759     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
761 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
762 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
764 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
765 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
766 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
767 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
769 7.2. Router descriptor format.
771 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
772 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
773 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
774 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
775 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
776 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
777 order.
779 The items' formats are as follows:
780    "router" nickname address ORPort SocksPort DirPort
782       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address"
783       must be an IPv4 address in dotted-quad format. The last
784       three numbers indicate the TCP ports at which this OR exposes
785       functionality. ORPort is a port at which this OR accepts TLS
786       connections for the main OR protocol; SocksPort is deprecated and
787       should always be 0; and DirPort is the port at which this OR accepts
788       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported,
789       the value 0 is given instead of a port number.
791    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
793       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
794       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
795       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
796       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
797       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
798       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
799       over any ten second period in the past day, and another sustained
800       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
802    "platform" string
804       A human-readable string describing the system on which this OR is
805       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
806       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
808    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
810       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
812    "fingerprint"
814       A fingerprint (a HASH_LEN-byte of asn1 encoded public key, encoded
815       in hex, with a single space after every 4 characters) for this router's
816       identity key.
818       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
819        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
821    "hibernating" 0|1
823       If the value is 1, then the Tor server was hibernating when the
824       descriptor was published, and shouldn't be used to build circuits.
826       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
827        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
829    "uptime"
831       The number of seconds that this OR process has been running.
833    "onion-key" NL a public key in PEM format
835       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
836       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
837       a subsequent descriptor.
839    "signing-key" NL a public key in PEM format
841       The OR's long-term identity key.
843    "accept" exitpattern
844    "reject" exitpattern
846        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
847        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
848        'exitpattern' syntax is described below.
850    "router-signature" NL Signature NL
852        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded
853        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
854        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
855        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
856        with the router's identity key.
858    "contact" info NL
860        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
861        including an email address and a PGP key fingerprint.
863    "family" names NL
865        'Names' is a whitespace-separated list of server nicknames. If two ORs
866        list one another in their "family" entries, then OPs should treat them
867        as a single OR for the purpose of path selection.
869        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
870        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
871        be used on the same circuit.
873    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
874    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
876        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
877        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
878        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
879        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
881        [We didn't start parsing these lines until Tor 0.1.0.6-rc; they should
882         be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
884 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
886 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
887 portspec ::= "*" | port | port "-" port
888 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
889 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
890 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
891 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
892 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
893 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
894 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
895 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
896 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
898 Ports are required; if they are not included in the router
899 line, they must appear in the "ports" lines.
901 7.3. Directory format
903 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
904 the following, in any order: "recommended-software", "published",
905 "router-status", "dir-signing-key".  It may include any number of "opt"
906 items.  After these items, a directory includes any number of router
907 descriptors, and a single "directory-signature" item.
909     "signed-directory"
911         Indicates the start of a directory.
913     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
915         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
917     "dir-signing-key"
919         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
921     "recommended-software"  comma-separated-version-list
923         A list of which versions of which implementations are currently
924         believed to be secure and compatible with the network.
926     "running-routers" whitespace-separated-list
928         A description of which routers are currently believed to be up or
929         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
930         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
931         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
932         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
933         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
934         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
935         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
936         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
937         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
938         instead.]
940     "router-status" whitespace-separated-list
942         A description of which routers are currently believed to be up or
943         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
944         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
945         format:
947               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
948               name=$digest   [Verified router, currently live.]
949               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
950           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
952         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
953         encoding of the hash of the routers' identity key).
955         When parsing this line, clients should only mark a router as
956         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
958     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
960 The signature is computed by computing the digest of the
961 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
962 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
963 and signed with the directory server's signing key.
965 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
966 it MUST reject only that router descriptor, and continue using the
967 others.  Because this mechanism is used to add 'critical' extensions to
968 future versions of the router descriptor format, implementation should treat
969 it as a normal occurrence and not, for example, report it to the user as an
970 error.  [Versions of Tor prior to 0.1.1 did this.]
972 If software encounters an unrecognized keyword in the directory header,
973 it SHOULD reject the entire directory.
975 7.4. Network-status descriptor
977 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
978 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
979 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
980 entries.
982      "network-status"
984         Must appear first.
986      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
988         (see 7.3 above)
990      "router-status" list
992         (see 7.3 above)
994      "directory-signature" NL signature
996         (see 7.3 above)
998 7.5. Behavior of a directory server
1000 lists nodes that are connected currently
1001 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
1003 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
1004 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
1005 The basic interactions are:
1006   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
1007     command, url, content-length, host.
1008   Get "/tor/" to fetch a full directory.
1009   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
1010   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
1011   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
1012     request containing the descriptor.
1014   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
1015   the request can survive going through HTTP proxies.
1017 A.1. Differences between spec and implementation
1019 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
1020   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
1021   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
1022   support at all.
1024 B. Things that should change in a later version of the Tor protocol
1026 B.1. ... but which will require backward-incompatible change
1028   - Circuit IDs should be longer.
1029   - IPv6 everywhere.
1030   - Maybe, keys should be longer.
1031     - Maybe, key-length should be adjustable.  How to do this without
1032       making anonymity suck?
1033   - Drop backward compatibility.
1034   - We should use a 128-bit subgroup of our DH prime.
1035   - Handshake should use HMAC.
1036   - Multiple cell lengths
1037   - Ability to split circuits across paths (If this is useful.)
1038   - SENDME windows should be dynamic.
1040   - Directory
1041      - Stop ever mentioning socks ports
1043 B.1. ... and that will require no changes
1045    - Mention multiple addr/port combos
1046    - Advertised outbound IP?
1047    - Migrate streams across circuits.
1049 B.2. ... and that we have no idea how to do.
1051    - UDP (as transport)
1052    - UDP (as content)
1053    - Use a better AES mode that has built-in integrity checking,
1054      doesn't grow with the number of hops, is not patented, and
1055      is implemented and maintained by smart people.