fix some bugs in assert_connection_ok
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blobf20756f642957b09e4ce9efcf71c4244ee7945f2
1 $Id$
3 Tor Spec
5 Note: This is an attempt to specify Tor as it exists as implemented in
6 early June, 2003.  It is not recommended that others implement this
7 design as it stands; future versions of Tor will implement improved
8 protocols.
10 TODO: (very soon)
11       - Specify truncate/truncated payloads?
12       - Specify RELAY_END payloads. [It's 1 byte of reason, then X bytes of
13         data, right? -NM]
14         [Right, where X=4 and it's an IP, currently. -RD]
15       - Sendme w/stream0 is circuit sendme
16       - Integrate -NM and -RD comments
17       - EXTEND cells should have hostnames or nicknames, so that OPs never
18         resolve OR hostnames.  Else DNS servers can give different answers to
19         different OPs, and compromise their anonymity.
21 EVEN LATER:
22       - Do TCP-style sequencing and ACKing of DATA cells so that we can afford
23         to lose some data cells. [Actually, we'll probably never do this. -RD]
25 0. Notation:
27    PK -- a public key.
28    SK -- a private key
29    K  -- a key for a symmetric cypher
31    a|b -- concatenation of 'a' with 'b'.
33    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
35    Unless otherwise specified, all symmetric ciphers are AES in counter
36    mode, with an IV of all 0 bytes.  Asymmetric ciphers are either RSA
37    with 1024-bit keys and exponents of 65537, or DH with the safe prime
38    from rfc2409, section 6.2, whose hex representation is:
40      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
41      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
42      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
43      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
44      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
47 1. System overview
49    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
50    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
51    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
52    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
53    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
54    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
55    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
56    the layers of an onion) and relayed downstream.
58 2. Connections
60    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
61    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
62    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
63    allows mutual authentication.
65    Tor uses TLS for link encryption, using the cipher suite
66    "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA".
67    [That's cool, except it's not what we use currently. We use
68     3DES because most people don't have openssl 0.9.7 and thus
69     don't have AES. -RD]
70    An OR always sends a
71    self-signed X.509 certificate whose commonName is the server's
72    nickname, and whose public key is in the server directory.
74    All parties receiving certificates must confirm that the public
75    key is as it appears in the server directory, and close the
76    connection if it is not.
78    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
79    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
80    cells are 512 bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
81    records of any size or divided across TLS records, but the framing
82    of TLS records must not leak information about the type or
83    contents of the cells.
85    OR-to-OR connections are never deliberately closed.  An OP should
86    close a connection to an OR if there are no circuits running over
87    the connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to
88    5 minutes) has passed.
90 3. Cell Packet format
92    The basic unit of communication for onion routers and onion
93    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
94    fields:
96         CircID                                [2 bytes]
97         Command                               [1 byte]
98         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
99                                          [Total size: 512 bytes]
101    The 'Command' field holds one of the following values:
102          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
103          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
104          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
105          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
106          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
108    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
109       PADDING: Unused.
110       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
111       CREATED: Payload contains the handshake response.
112       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
113       DESTROY: Unused.
115    The payload is padded with 0 bytes.
117    PADDING cells are currently used to implement connection
118    keepalive.  ORs and OPs send one another a PADDING cell every few
119    minutes.
121    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
122    see section 4 below.
124    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
125    section 5 below.
128 4. Circuit management
130 4.1. CREATE and CREATED cells
132    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
133    new circuit, users send a CREATE cell to the first node, with the
134    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
135    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
136    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
137    the first hop, the user sends an EXTEND relay cell (see section 5)
138    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
139    to extend the circuit.
141    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', consisting of:
142          RSA-encrypted data            [128 bytes]
143          Symmetrically-encrypted data  [16 bytes]
145    The RSA-encrypted portion contains:
146          Symmetric key                 [16 bytes]
147          First part of DH data (g^x)   [112 bytes]
148    The symmetrically encrypted portion contains:
149          Second part of DH data (g^x)  [16 bytes]
151    The two parts of DH data, once decrypted and concatenated, form
152    g^x as calculated by the client.
154    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
155          Address                       [4 bytes]
156          Port                          [2 bytes]
157          Onion skin                    [144 bytes]
159    The port and address field denote the IPV4 address and port of the
160    next onion router in the circuit.
162 4.2. Setting circuit keys
164    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both
165    servers can now calculate g^xy with ordinary DH.  From the base key
166    material g^xy, they compute derivative key material as follows.
167    First, the server represents g^xy as a big-endian unsigned integer.
168    Next, the server computes 60 bytes of key data as K = SHA1(g^xy |
169    [00]) | SHA1(g^xy | [01]) | SHA1(g^xy | [02]) where "00" is a single
170    octet whose value is zero, "01" is a single octet whose value is
171    one, etc.  The first 20 bytes of K form KH, the next 16 bytes of K
172    form Kf, and the next 16 bytes of K form Kb.
174    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
175    computed shared key. Kf is used to encrypt the stream of data going
176    from the OP to the OR, and Kb is used to encrypt the stream of data
177    going from the OR to the OP.
179 4.3. Creating circuits
181    When creating a circuit through the network, the circuit creator
182    performs the following steps:
184       1. Choose a chain of N onion routers (R_1...R_N) to constitute
185          the path, such that no router appears in the path twice.
186          [this is wrong, now we choose the last hop and then choose
187           new hops lazily -RD]
189       2. If not already connected to the first router in the chain,
190          open a new connection to that router.
192       3. Choose a circID not already in use on the connection with the
193          first router in the chain.  If we are an onion router and our
194          nickname is lexicographically greater than the nickname of the
195          other side, then let the high bit of the circID be 1, else 0.
197       4. Send a CREATE cell along the connection, to be received by
198          the first onion router.
200       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
201          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
203       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
204          the circuit to R.
206    To extend the circuit by a single onion router R_M, the circuit
207    creator performs these steps:
209       1. Create an onion skin, encrypting the RSA-encrypted part with
210          R's public key.
212       2. Encrypt and send the onion skin in a relay EXTEND cell along
213          the circuit (see section 5).
215       3. When a relay EXTENDED cell is received, calculate the shared
216          keys.  The circuit is now extended.
218    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a
219    CREATE cell to the next onion router, with the enclosed onion skin
220    as its payload.  The initiating onion router chooses some circID not
221    yet used on the connection between the two onion routers.  (But see
222    section 4.3. above, concerning choosing circIDs. [What? This
223    is 4.3. Maybe we mean to remind about lexicographic order of
224    nicknames? -RD])
226    As an extension (called router twins), if the desired next onion
227    router R in the circuit is down, and some other onion router R'
228    has the same key as R, then it's ok to extend to R' rather than R.
230    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
231    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
232    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes
233    the DH handshake, and replies with a CREATED cell, containing g^y
234    as its [128 byte] payload.  Upon receiving a CREATED cell, an onion
235    router packs it payload into an EXTENDED relay cell (see section 5),
236    and sends that cell up the circuit.  Upon receiving the EXTENDED
237    relay cell, the OP can retrieve g^y.
239    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
240    until a break in traffic allows time to do so without harming
241    network latency too greatly.)
243 4.4. Tearing down circuits
245    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
246    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
247    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
248    either completely or hop-by-hop.
250    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
251    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
252    direction's circID.
254    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
255    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
256    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
257    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
258    down any associated edge connections (see section 5.1).
260    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
261    destroy cells for the corresponding circuit.
263    [This next paragraph is never used, and should perhaps go away. -RD]
264    To tear down part of a circuit, the OP sends a RELAY_TRUNCATE cell
265    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
266    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
267    RELAY_TRUNCATED cell.
269    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
270    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
271    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
272    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
273    should send a DESTROY cell down the circuit.
275    [We'll have to reevaluate this section once we figure out cleaner
276     circuit/connection killing conventions. Possibly the right answer
277     is to not use most of the extensions. -RD]
279 4.5. Routing relay cells
281    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
282    determines whether it has a corresponding circuit along that
283    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
285    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
286    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the length
287    field and the payload with AES/CTR, as follows:
288         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
289             Use Kf as key; encrypt.
290         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
291             Use Kb as key; decrypt.
292    [This part is now wrong. There's a 'recognized' field. If it crypts
293     to 0, then check the digest. Speaking of which, there's a digest
294     field. We should mention this. -RD]
295    If the OR recognizes the stream ID on the cell (it is either the ID
296    of an open stream or the signaling (zero) ID), the OR processes the
297    contents of the relay cell.  Otherwise, it passes the decrypted
298    relay cell along the circuit if the circuit continues, or drops the
299    cell if it's the end of the circuit. [Getting an unrecognized
300    relay cell at the end of the circuit must be allowed for now;
301    we can reexamine this once we've designed full tcp-style close
302    handshakes. -RD [No longer true, an unrecognized relay cell at
303    the end can be met with a destroy cell -- I think. -RD]]
305    Otherwise, if the data cell is coming from the OP edge of the
306    circuit, the OP decrypts the length and payload fields with AES/CTR as
307    follows:
308          OP sends data cell to node R_M:
309             For I=1...M, decrypt with Kf_I.
311    Otherwise, if the data cell is arriving at the OP edge if the
312    circuit, the OP encrypts the length and payload fields with AES/CTR as
313    follows:
314          OP receives data cell:
315             For I=N...1,
316                 Encrypt with Kb_I.  If the stream ID is a recognized
317                 stream for R_I, or if the stream ID is the signaling
318                 ID (zero), then stop and process the payload.
320    For more information, see section 5 below.
322 5. Application connections and stream management
324 5.1. Streams
326    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
327    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
328    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
329    by either edge; streams are initiated by the OP.
331    The first 8 bytes of each relay cell are reserved as follows:
332          Relay command           [1 byte]
333          Stream ID               [7 bytes]
335    [command 1 byte, recognized 2 bytes, streamid 2 bytes, digest 4 bytes,
336     length 2 bytes == 11 bytes of header -RD]
338    The relay commands are:
339          1 -- RELAY_BEGIN
340          2 -- RELAY_DATA
341          3 -- RELAY_END
342          4 -- RELAY_CONNECTED
343          5 -- RELAY_SENDME
344          6 -- RELAY_EXTEND
345          7 -- RELAY_EXTENDED
346          8 -- RELAY_TRUNCATE
347          9 -- RELAY_TRUNCATED
348         10 -- RELAY_DROP
350    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
351    same stream ID.  Stream ID's are chosen randomly by the OP.  A
352    stream ID is considered "recognized" on a circuit C by an OP or an
353    OR if it already has an existing stream established on that
354    circuit, or if the stream ID is equal to the signaling stream ID,
355    which is all zero: [00 00 00 00 00 00 00]
357    [This next paragraph is wrong: to begin a new stream, it simply
358     uses the new streamid. No need to send it separately. -RD]
359    To create a new anonymized TCP connection, the OP sends a
360    RELAY_BEGIN data cell with a payload encoding the address and port
361    of the destination host.  The stream ID is zero.  The payload format is:
362          NEWSTREAMID | ADDRESS | ':' | PORT | '\000'
363    where NEWSTREAMID is the newly generated Stream ID to use for
364    this stream, ADDRESS may be a DNS hostname, or an IPv4 address in
365    dotted-quad format; and where PORT is encoded in decimal.
367    Upon receiving this packet, the exit node resolves the address as
368    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If
369    the address cannot be resolved, or a connection can't be
370    established, the exit node replies with a RELAY_END cell.
371    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell.
373    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
374    Once a connection has been established, the OP and exit node
375    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
376    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
378    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
379    a cell, the OR or OP must drop it.
381 5.2. Closing streams
383    [Note -- TCP streams can only be half-closed for reading.  Our
384    Bickford's conversation was incorrect. -NM]
386    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
387    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
389    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
390    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
391    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
392    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
393    onion router.
395    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
396    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_END'
397    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
398    Upon receiving a 'RELAY_END' cell, an edge node sends a 'FIN' to
399    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
400    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
402    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
403    also sends a 'RELAY_END' along the circuit, and changes its state
404    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
405    'RELAY_END' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
406    'CLOSED'.
408    [Note: Please rename 'RELAY_END2'. :) -NM ]
410    If an edge node encounters an error on any stram, it sends a
411    'RELAY_END2' cell along the circuit (if possible) and closes the
412    TCP connection immediately.  If an edge node receives a
413    'RELAY_END2' cell for any stream, it closes the TCP connection
414    completely, and sends nothing along the circuit.
416 6. Flow control
418 6.1. Link throttling
420    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
421    user happy.
423    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
424    stop reading.
426 6.2. Link padding
428    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
429    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
430    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
431    for running a node, we plan to leave out link padding until this
432    tradeoff is better understood.
434 6.3. Circuit-level flow control
436    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
437    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
438    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
439    it is willing to deliver to streams outside the network.
440    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
441    in each direction (cells that are not data cells do not affect
442    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
443    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
444    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
445    packaging window.
447    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
449    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
450    window and a delivery window for every OR in the circuit.
452    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
453    corresponding window value falls under some threshold (900).
455    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
456    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
457    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
458 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
460 6.4. Stream-level flow control
462    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
463    control for individual connections across circuits. Similarly to
464    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
465    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
466    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
467    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
468    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
471 7. Directories and routers
473 7.1. Router descriptor format.
475 (Unless otherwise noted, tokens on the same line are space-separated.)
477 Router ::= Router-Line  Date-Line Onion-Key Link-Key Signing-Key  Exit-Policy Router-Signature NL
478 Router-Line ::= "router" nickname address ORPort SocksPort DirPort bandwidth NL
479 Date-Line ::= "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS NL
480 Onion-key ::= "onion-key"  NL  a public key in PEM format   NL
481 Link-key ::= "link-key"  NL  a public key in PEM format  NL
482 Signing-Key ::= "signing-key"  NL  a public key in PEM format   NL
483 Exit-Policy ::= Exit-Line*
484 Exit-Line ::= ("accept"|"reject")  string  NL
485 Router-Signature ::= "router-signature"  NL  Signature
486 Signature ::= "-----BEGIN SIGNATURE-----" NL
487               Base-64-encoded-signature NL "-----END SIGNATURE-----" NL
489 ORport ::= port where the router listens for routers/proxies (speaking cells)
490 SocksPort ::=  where the router listens for applications (speaking socks)
491 DirPort ::= where the router listens for directory download requests
492 bandwidth ::= maximum bandwidth, in bytes/s
494 nickname ::= between 1 and 32 alphanumeric characters.  case-insensitive.
496 Example:
497 router moria1 moria.mit.edu 9001 9021 9031 100000
498 published 2003-09-24 19:36:05
499 -----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----
500 MIGJAoGBAMBBuk1sYxEg5jLAJy86U3GGJ7EGMSV7yoA6mmcsEVU3pwTUrpbpCmwS
501 7BvovoY3z4zk63NZVBErgKQUDkn3pp8n83xZgEf4GI27gdWIIwaBjEimuJlEY+7K
502 nZ7kVMRoiXCbjL6VAtNa4Zy1Af/GOm0iCIDpholeujQ95xew7rQnAgMA//8=
503 -----END RSA PUBLIC KEY-----
504 signing-key
505 -----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----
506 7BvovoY3z4zk63NZVBErgKQUDkn3pp8n83xZgEf4GI27gdWIIwaBjEimuJlEY+7K
507 MIGJAoGBAMBBuk1sYxEg5jLAJy86U3GGJ7EGMSV7yoA6mmcsEVU3pwTUrpbpCmwS
508 f/GOm0iCIDpholeujQ95xew7rnZ7kVMRoiXCbjL6VAtNa4Zy1AQnAgMA//8=
509 -----END RSA PUBLIC KEY-----
510 reject 18.0.0.0/24
512 Note: The extra newline at the end of the router block is intentional.
514 7.2. Directory format
516 Directory ::= Directory-Header  Directory-Router  Router*  Signature
517 Directory-Header ::= "signed-directory" NL Software-Line NL
518 Software-Line: "recommended-software"  comma-separated-version-list
519 Directory-Router ::= Router
520 Directory-Signature ::= "directory-signature"  NL  Signature
521 Signature ::= "-----BEGIN SIGNATURE-----" NL
522               Base-64-encoded-signature NL "-----END SIGNATURE-----" NL
524 Note:  The router block for the directory server must appear first.
525 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
526 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
527 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
528 and signed with the directory server's signing key.
530 7.3. Behavior of a directory server
532 lists nodes that are connected currently
533 speaks http on a socket, spits out directory on request
535 -----------
536 (for emacs)
537   Local Variables:
538   mode:text
539   indent-tabs-mode:nil
540   fill-column:77
541   End: