On directory servers, old_routers was wasting hundreds of bytes per superseded router...
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blobd26e8359874ff1df66a5302780f5db1012f6ad35
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
9 versions of Tor will implement improved protocols, and compatibility is not
10 guaranteed.
12 This is not a design document; most design criteria are not examined.  For
13 more information on why Tor acts as it does, see tor-design.pdf.
15 TODO: (very soon)
16       - REASON_CONNECTFAILED should include an IP.
17       - Copy prose from tor-design to make everything more readable.
19 0. Notation:
21    PK -- a public key.
22    SK -- a private key
23    K  -- a key for a symmetric cypher
25    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
27    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
28    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
30    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
32    Unless otherwise specified, all symmetric ciphers are AES in counter
33    mode, with an IV of all 0 bytes.  Asymmetric ciphers are either RSA
34    with 1024-bit keys and exponents of 65537, or DH where the generator
35    is 2 and the modulus is the safe prime from rfc2409, section 6.2,
36    whose hex representation is:
38      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
39      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
40      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
41      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
42      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
44    All "hashes" are 20-byte SHA1 cryptographic digests.
46    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA1 hash of the
47    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
49 1. System overview
51    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
52    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
53    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
54    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
55    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
56    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
57    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
58    the layers of an onion) and relayed downstream.
60 2. Connections
62    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
63    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
64    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
65    allows mutual authentication.
67    Tor uses TLS for link encryption.  All implementations MUST support
68    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
69    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
70    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
71    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
72    least 128 bits, and digests of at least 160 bits.
74    An OP or OR always sends a two-certificate chain, consisting of a
75    certificate using a short-term connection key and a second, self-
76    signed certificate containing the OR's identity key. The commonName of the
77    first certificate is the OR's nickname, and the commonName of the second
78    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
79    "<identity>".
81    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
82    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
83    the one given in the directory; when creating a connection because of an
84    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
85    the key is not as expected, the party must close the connection.
87    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
88    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
89    with malformed or missing certificates.
91    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
92    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
93    cells are 512 bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
94    records of any size or divided across TLS records, but the framing
95    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
96    of the cells.
98    TLS connections are not permanent. An OP or an OR may close a
99    connection to an OR if there are no circuits running over the
100    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
101    minutes) has passed.
103    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
104    the ORs.)
106 3. Cell Packet format
108    The basic unit of communication for onion routers and onion
109    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
110    fields:
112         CircID                                [2 bytes]
113         Command                               [1 byte]
114         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
115                                          [Total size: 512 bytes]
117    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
118    associated with.
120    The 'Command' field holds one of the following values:
121          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
122          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
123          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
124          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
125          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
126          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See sec 4)
127          6 -- CREATED_FAST (Circtuit created, no PK) (See Sec 4)
129    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
130       PADDING: Payload is unused.
131       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
132       CREATED: Payload contains the handshake response.
133       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
134       DESTROY: Payload is unused.
135    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
136    drop the cell.
138    The payload is padded with 0 bytes.
140    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
141    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
142    cell every few minutes.
144    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
145    see section 4 below.
147    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
148    section 5 below.
150 4. Circuit management
152 4.1. CREATE and CREATED cells
154    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
155    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
156    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
157    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
158    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
159    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
160    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
161    to extend the circuit.
163    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
164    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
166    The data is encrypted to Bob's PK as follows: Suppose Bob's PK
167    modulus is L octets long. If the data to be encrypted is shorter
168    than L-42, then it is encrypted directly (with OAEP padding: see
169    ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf). If the
170    data is at least as long as L-42, then a randomly generated 16-byte
171    symmetric key is prepended to the data, after which the first L-16-42
172    bytes of the data are encrypted with Bob's PK; and the rest of the
173    data is encrypted with the symmetric key.
175    So in this case, the onion skin on the wire looks like:
176        RSA-encrypted:
177          OAEP padding                  [42 bytes]
178          Symmetric key                 [16 bytes]
179          First part of g^x             [70 bytes]
180        Symmetrically encrypted:
181          Second part of g^x            [58 bytes]
183    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
184          Address                       [4 bytes]
185          Port                          [2 bytes]
186          Onion skin                    [186 bytes]
187          Public key hash               [20 bytes]
189    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
190    onion router in the circuit; the public key hash is the SHA1 hash of the
191    PKCS#1 ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.
193    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
194    EXTENDED cell, contains:
195          DH data (g^y)                 [128 bytes]
196          Derivative key data (KH)      [20 bytes]   <see 4.2 below>
198    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
199    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
200    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
201    from only one half of the possible values based on the ORs' public
202    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
203    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
205    Public keys are compared numerically by modulus.
207    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
208    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
209    implementations should notice when the other side of a connection is
210    sending CREATE cells with the "wrong" MSG, and switch accordingly.)
212 4.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
214    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
215    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
216    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
217    public key operations to create a circuit.  In this case, the
218    OP SHOULD send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
219    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
220    created.
222    A CREATE_FAST cell contains:
224        Key material (X)    [20 bytes]
226    A CREATED_FAST cell contains:
228        Key material (Y)    [20 bytes]
229        Derivative key data [20 bytes]
231    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
232     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
234 4.2. Setting circuit keys
236    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both servers can
237    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
238    and server MUST verify that the received g^x/g^y value is not degenerate;
239    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
240    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
241    with degenerate keys.  Implementions MAY discard other "weak" g^x values.
243    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys are not
244    discarded, an attacker can substitute the server's CREATED cell's g^y with
245    0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating the server.)
247    (The mainline Tor implementation discards all g^x values that are less
248    than 2^24, that are greater than p-2^24, or that have more than 1024-16
249    identical bits.  This constitutes a negligible portion of the keyspace;
250    the chances of stumbling on such a key at random are astronomically
251    small.  Nevertheless, implementors may wish to make their implementations
252    discard such keys.)
254    From the base key material g^xy, they compute derivative key material as
255    follows.  First, the server represents g^xy as a big-endian unsigned
256    integer.  Next, the server computes 100 bytes of key data as K = SHA1(g^xy
257    | [00]) | SHA1(g^xy | [01]) | ... SHA1(g^xy | [04]) where "00" is a single
258    octet whose value is zero, [01] is a single octet whose value is one, etc.
259    The first 20 bytes of K form KH, bytes 21-40 form the forward digest Df,
260    41-60 form the backward digest Db, 61-76 form Kf, and 77-92 form Kb.
262    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
263    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
264    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
265    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
266    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
267    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
269    The fast-setup case uses the same formula, except that X|Y is used
270    in place of g^xy in determining K.  That is,
271       K = SHA1(X|Y | [00]) | SHA1(X|Y | [01]) | ... SHA1(X|Y| | [04])
272    The values KH, Kf, Kb, Df, and Db are established and used as before.
274 4.3. Creating circuits
276    When creating a circuit through the network, the circuit creator
277    (OP) performs the following steps:
279       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
280          router's exit policy does not exclude all pending streams
281          that need a circuit.
283       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
284          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
285          appears in the path twice.
287       3. If not already connected to the first router in the chain,
288          open a new connection to that router.
290       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
291          first router in the chain; send a CREATE cell along the
292          connection, to be received by the first onion router.
294       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
295          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
297       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
298          the circuit to R.
300    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
301    these steps:
303       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
305       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
306          the circuit (see section 5).
308       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
309          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
311    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
312    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
313    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
314    used on the connection between the two onion routers.  (But see
315    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
316    lexicographic order of nicknames.)
318    As an extension (called router twins), if the desired next onion
319    router R in the circuit is down, and some other onion router R'
320    has the same public keys as R, then it's ok to extend to R' rather than R.
322    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
323    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
324    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
325    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
326    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
327    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
328    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
330    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
331    until a break in traffic allows time to do so without harming
332    network latency too greatly.)
334 4.4. Tearing down circuits
336    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
337    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
338    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
339    either completely or hop-by-hop.
341    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
342    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
343    direction's circID.
345    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
346    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
347    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
348    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
349    down any associated edge connections (see section 5.1).
351    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
352    destroy cells for the corresponding circuit.
354    (The rest of this section is not currently used; on errors, circuits
355    are destroyed, not truncated.)
357    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
358    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
359    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
360    RELAY_TRUNCATED cell.
362    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
363    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
364    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
365    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
366    should send a DESTROY cell down the circuit.
368 4.5. Routing relay cells
370    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
371    determines whether it has a corresponding circuit along that
372    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
374    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
375    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
376    with AES/CTR, as follows:
377         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
378             Use Kf as key; decrypt.
379         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
380             Use Kb as key; encrypt.
382    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
383    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
384    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
385    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
386    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
387    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
388    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
390    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
391    with AES/CTR as follows:
392          OP receives data cell:
393             For I=N...1,
394                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
395                 section 5.1), then stop and process the payload.
397    For more information, see section 5 below.
399 5. Application connections and stream management
401 5.1. Relay cells
403    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
404    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
405    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
406    by either edge; streams are initiated by the OP.
408    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
409          Relay command           [1 byte]
410          'Recognized'            [2 bytes]
411          StreamID                [2 bytes]
412          Digest                  [4 bytes]
413          Length                  [2 bytes]
414          Data                    [498 bytes]
416    The relay commands are:
417          1 -- RELAY_BEGIN
418          2 -- RELAY_DATA
419          3 -- RELAY_END
420          4 -- RELAY_CONNECTED
421          5 -- RELAY_SENDME
422          6 -- RELAY_EXTEND
423          7 -- RELAY_EXTENDED
424          8 -- RELAY_TRUNCATE
425          9 -- RELAY_TRUNCATED
426         10 -- RELAY_DROP
427         11 -- RELAY_RESOLVE
428         12 -- RELAY_RESOLVED
430    The 'Recognized' field in any unencrypted relay payload is always
431    set to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes
432    of the running SHA-1 digest of all the bytes that have travelled
433    over this circuit, seeded from Df or Db respectively (obtained in
434    section 4.2 above), and including this RELAY cell's entire payload
435    (taken with the digest field set to zero).
437    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
438    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
439    decryption (see section 4.5 above).
441    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
442    same stream ID.  StreamIDs are chosen randomly by the OP.  RELAY
443    cells that affect the entire circuit rather than a particular
444    stream use a StreamID of zero.
446    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
447    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
448    the payload is padded with NUL bytes.
450 5.2. Opening streams and transferring data
452    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
453    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
454    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
455    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
456    and port of the destination host.  The payload format is:
458          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
460    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
461    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
462    and where PORT is encoded in decimal.
464    [What is the [00] for? -NM]
465    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
467    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
468    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
469    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
470    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
471    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
472    payload is in one of the following formats:
473        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
474        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
475     or
476        Four zero-valued octets [4 octets]
477        An address type (6)     [1 octet]
478        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
479        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
480    [XXXX Versions of Tor before 0.1.1.6 ignore and do not generate the TTL
481    field.  No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
483    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
484    Once a connection has been established, the OP and exit node
485    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
486    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
487    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
489    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
490    a cell, the OR or OP must drop it.
492 5.3. Closing streams
494    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
495    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
496    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
497    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
498    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
499    circuit for that stream.
501    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
502    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
503    the reason.)  The values are:
505        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
506        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
507        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
508        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
509        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
510        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
511        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
512                                    while connecting)
513        8 -- (unallocated) [**]
514        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
515       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
516       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
517       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
518       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
519                                    Tor protocol violations.)
521    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
522    forms the optional data; no other reason currently has extra data.
523    As of 0.1.1.6, the body also contains a 4-byte TTL.)
525    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
526    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
528    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
529        reset.
530    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
531         remain allocated until that version is obsolete.
533    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
535    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
536    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
538    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
539    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
540    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
541    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
542    onion router.
544    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
545    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
546    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
547    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
548    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
549    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
551    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
552    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
553    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
554    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
555    'CLOSED'.
557    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
558    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
560 5.4. Remote hostname lookup
562    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
563    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
564    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
565    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
566    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
567        Type   (1 octet)
568        Length (1 octet)
569        Value  (variable-width)
570        TTL    (4 octets)
571    "Length" is the length of the Value field.
572    "Type" is one of:
573       0x00 -- Hostname
574       0x04 -- IPv4 address
575       0x06 -- IPv6 address
576       0xF0 -- Error, transient
577       0xF1 -- Error, nontransient
579     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
581     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
582     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
583     is actually created by the OR when resolving the name.
585 6. Flow control
587 6.1. Link throttling
589    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
590    user happy.
592    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
593    stop reading.
595 6.2. Link padding
597    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
598    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
599    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
600    for running a node, we plan to leave out link padding until this
601    tradeoff is better understood.
603 6.3. Circuit-level flow control
605    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
606    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
607    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
608    it is willing to deliver to streams outside the network.
609    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
610    in each direction (cells that are not data cells do not affect
611    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
612    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
613    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
614    packaging window.
616    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
618    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
619    window and a delivery window for every OR in the circuit.
621    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
622    corresponding window value falls under some threshold (900).
624    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
625    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
626    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
627 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
629 6.4. Stream-level flow control
631    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
632    control for individual connections across circuits. Similarly to
633    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
634    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
635    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
636    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
637    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
639 7. Directories and routers
641 7.1. Extensible information format
643 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
644 extensible information format.
646 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
647 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
648 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by a space and more
649 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
650 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
651 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
653 More formally:
655     Document ::= (Item | NL)+
656     Item ::= KeywordLine Object*
657     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword SP ArgumentsChar+ NL
658     Keyword = KeywordChar+
659     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
660     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
661     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
662     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
663     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
665     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
667 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
668 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
670 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
671 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
672 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
673 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
675 7.2. Router descriptor format.
677 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
678 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
679 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
680 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
681 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
682 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
683 order.
685 The items' formats are as follows:
686    "router" nickname address (ORPort SocksPort DirPort)?
688       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address" must be an
689       IPv4 address in dotted-quad format.  The Port values will soon be
690       deprecated; using them here is equivalent to using them in a "ports"
691       item.
693    "ports" ORPort SocksPort DirPort
695       Indicates the TCP ports at which this OR exposes functionality.
696       ORPort is a port at which this OR accepts TLS connections for the main
697       OR protocol;  SocksPort is the port at which this OR accepts SOCKS
698       connections; and DirPort is the port at which this OR accepts
699       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported, the
700       value 0 is given instead of a port number.
702    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
704       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
705       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
706       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
707       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
708       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
709       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
710       over any ten second period in the past day, and another sustained
711       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
713    "platform" string
715       A human-readable string describing the system on which this OR is
716       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
717       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
719    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
721       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
723    "fingerprint"
725       A fingerprint (20 byte SHA1 hash of asn1 encoded public key, encoded
726       in hex, with spaces after every 4 characters) for this router's
727       identity key.
729       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
730        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
732    "hibernating" 0|1
734       If the value is 1, then the Tor server was hibernating when the
735       descriptor was published, and shouldn't be used to build circuits.
737       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
738        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
740    "uptime"
742       The number of seconds that this OR process has been running.
744    "onion-key" NL a public key in PEM format
746       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
747       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
748       a subsequent descriptor.
750    "signing-key" NL a public key in PEM format
752       The OR's long-term identity key.
754    "accept" exitpattern
755    "reject" exitpattern
757        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
758        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
759        'exitpattern' syntax is described below.
761    "router-signature" NL Signature NL
763        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded SHA1
764        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
765        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
766        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
767        with the router's identity key.
769    "contact" info NL
771        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
772        including an email address and a PGP key fingerprint.
774    "family" names NL
776        'Names' is a space-separated list of server nicknames. If two ORs
777        list one another in their "family" entries, then OPs should treat
778        them as a single OR for the purpose of path selection.
780        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
781        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
782        be used on the same circuit.
784    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
785    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
787        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
788        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
789        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
790        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
792        [We didn't start parsing these lines until Tor 0.1.0.6-rc; they should
793         be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
795 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
797 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
798 portspec ::= "*" | port | port "-" port
799 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
800 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
801 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
802 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
803 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
804 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
805 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
806 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
807 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
809 Ports are required; if they are not included in the router
810 line, they must appear in the "ports" lines.
812 7.3. Directory format
814 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
815 the following, in any order: "recommended-software", "published",
816 "router-status", "dir-signing-key".  It may include any number of "opt"
817 items.  After these items, a directory includes any number of router
818 descriptors, and a single "directory-signature" item.
820     "signed-directory"
822         Indicates the start of a directory.
824     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
826         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
828     "dir-signing-key"
830         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
832     "recommended-software"  comma-separated-version-list
834         A list of which versions of which implementations are currently
835         believed to be secure and compatible with the network.
837     "running-routers" space-separated-list
839         A description of which routers are currently believed to be up or
840         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
841         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
842         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
843         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
844         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
845         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
846         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
847         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
848         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
849         instead.]
851     "router-status" space-separated-list
853         A description of which routers are currently believed to be up or
854         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
855         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
856         format:
858               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
859               name=$digest   [Verified router, currently live.]
860               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
861           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
863         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
864         encoding of the hash of the routers' identity key).
866         When parsing this line, clients should only mark a router as
867         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
869     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
871 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
872 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
873 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
874 and signed with the directory server's signing key.
876 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
877 it MUST reject only that router descriptor, and continue using the
878 others.  Because this mechanism is used to add 'critical' extensions to
879 future versions of the router descriptor format, implementation should treat
880 it as a normal occurrence and not, for example, report it to the user as an
881 error.  [Versions of Tor prior to 0.1.1 did this.]
883 If software encounters an unrecognized keyword in the directory header,
884 it SHOULD reject the entire directory.
886 7.4. Network-status descriptor
888 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
889 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
890 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
891 entries.
893      "network-status"
895         Must appear first.
897      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
899         (see 7.3 above)
901      "router-status" list
903         (see 7.3 above)
905      "directory-signature" NL signature
907         (see 7.3 above)
909 7.5. Behavior of a directory server
911 lists nodes that are connected currently
912 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
914 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
915 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
916 The basic interactions are:
917   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
918     command, url, content-length, host.
919   Get "/tor/" to fetch a full directory.
920   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
921   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
922   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
923     request containing the descriptor.
925   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
926   the request can survive going through HTTP proxies.
928 A.1. Differences between spec and implementation
930 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
931   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
932   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
933   support at all.
935 B. Things that should change in a later version of the Tor protocol
938 B.1. ... but which will require backward-incompatible change
940   - Circuit IDs should be longer.
941   - IPv6 everywhere.
942   - Maybe, keys should be longer.
943   - Drop backward compatibility.
944   - We should use a 128-bit subgroup of our DH prime.
945   - Handshake should use HMAC.
946   - Multiple cell lengths
947   - Ability to split circuits across paths (If this is useful.)
948   - SENDME windows should be dynamic.
950   - Directory
951      - Stop ever mentioning socks ports
953 B.1. ... and that will require no changes
955    - Mention multiple addr/port combos
956    - Advertised outbound IP?
957    - Migrate streams across circuits.
959 B.2. ... and that we have no idea how to do.
961    - UDP (as transport)
962    - UDP (as content)
963    - Use a better AES mode that has built-in integrity checking,
964      doesn't grow with the number of hops, is not patented, and
965      is implemented and maintained by smart people.