some fixes and questions on the control spec
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blob4c515f4198378ff2f3dad8f91a237abf6d0a0feb
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    OR-to-OR connections are never deliberately closed.  When an OR
99    starts or receives a new directory, it tries to open new
100    connections to any OR it is not already connected to.
101 [not true, unused OR conns close after 5 mins too -RD]
103    OR-to-OP connections are not permanent. An OP should close a
104    connection to an OR if there are no circuits running over the
105    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
106    minutes) has passed.
108 3. Cell Packet format
110    The basic unit of communication for onion routers and onion
111    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
112    fields:
114         CircID                                [2 bytes]
115         Command                               [1 byte]
116         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
117                                          [Total size: 512 bytes]
119    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
120    associated with.
122    The 'Command' field holds one of the following values:
123          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
124          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
125          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
126          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
127          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
128          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See sec 4)
129          6 -- CREATED_FAST (Circtuit created, no PK) (See Sec 4)
131    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
132       PADDING: Payload is unused.
133       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
134       CREATED: Payload contains the handshake response.
135       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
136       DESTROY: Payload is unused.
137    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
138    drop the cell.
140    The payload is padded with 0 bytes.
142    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
143    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
144    cell every few minutes.
146    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
147    see section 4 below.
149    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
150    section 5 below.
152 4. Circuit management
154 4.1. CREATE and CREATED cells
156    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
157    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
158    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
159    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
160    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
161    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
162    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
163    to extend the circuit.
165    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
166    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
168    The data is encrypted to Bob's PK as follows: Suppose Bob's PK
169    modulus is L octets long. If the data to be encrypted is shorter
170    than L-42, then it is encrypted directly (with OAEP padding: see
171    ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf). If the
172    data is at least as long as L-42, then a randomly generated 16-byte
173    symmetric key is prepended to the data, after which the first L-16-42
174    bytes of the data are encrypted with Bob's PK; and the rest of the
175    data is encrypted with the symmetric key.
177    So in this case, the onion skin on the wire looks like:
178        RSA-encrypted:
179          OAEP padding                  [42 bytes]
180          Symmetric key                 [16 bytes]
181          First part of g^x             [70 bytes]
182        Symmetrically encrypted:
183          Second part of g^x            [58 bytes]
185    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
186          Address                       [4 bytes]
187          Port                          [2 bytes]
188          Onion skin                    [186 bytes]
189          Public key hash               [20 bytes]
191    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
192    onion router in the circuit; the public key hash is the SHA1 hash of the
193    PKCS#1 ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.
195    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
196    EXTENDED cell, contains:
197          DH data (g^y)                 [128 bytes]
198          Derivative key data (KH)      [20 bytes]   <see 4.2 below>
200    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
201    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
202    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
203    from only one half of the possible values based on the ORs' public
204    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
205    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
207    Public keys are compared numerically by modulus.
209    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
210    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
211    implementations should notice when the other side of a connection is
212    sending CREATE cells with the "wrong" MSG, and switch accordingly.)
214 4.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
216    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
217    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
218    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
219    public key operations to create a circuit.  In this case, the
220    OP SHOULD send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
221    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
222    created.
224    A CREATE_FAST cell contains:
226        Key material (X)    [20 bytes]
228    A CREATED_FAST cell contains:
230        Key material (Y)    [20 bytes]
231        Derivative key data [20 bytes]
233    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
234     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
236 4.2. Setting circuit keys
238    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both
239    servers can now calculate g^xy with ordinary DH.  From the base key
240    material g^xy, they compute derivative key material as follows.
241    First, the server represents g^xy as a big-endian unsigned integer.
242    Next, the server computes 100 bytes of key data as K = SHA1(g^xy |
243    [00]) | SHA1(g^xy | [01]) | ... SHA1(g^xy | [04]) where "00" is
244    a single octet whose value is zero, [01] is a single octet whose
245    value is one, etc.  The first 20 bytes of K form KH, bytes 21-40 form
246    the forward digest Df, 41-60 form the backward digest Db, 61-76 form
247    Kf, and 77-92 form Kb.
249    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
250    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
251    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
252    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
253    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
254    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
256    The fast-setup case uses the same formula, except that X|Y is used
257    in place of g^xy in determining K.  That is,
258       K = SHA1(X|Y | [00]) | SHA1(X|Y | [01]) | ... SHA1(X|Y| | [04])
259    The values KH, Kf, Kb, Df, and Db are established and used as before.
261 4.3. Creating circuits
263    When creating a circuit through the network, the circuit creator
264    (OP) performs the following steps:
266       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
267          router's exit policy does not exclude all pending streams
268          that need a circuit.
270       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
271          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
272          appears in the path twice.
274       3. If not already connected to the first router in the chain,
275          open a new connection to that router.
277       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
278          first router in the chain; send a CREATE cell along the
279          connection, to be received by the first onion router.
281       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
282          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
284       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
285          the circuit to R.
287    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
288    these steps:
290       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
292       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
293          the circuit (see section 5).
295       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
296          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
298    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
299    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
300    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
301    used on the connection between the two onion routers.  (But see
302    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
303    lexicographic order of nicknames.)
305    As an extension (called router twins), if the desired next onion
306    router R in the circuit is down, and some other onion router R'
307    has the same public keys as R, then it's ok to extend to R' rather than R.
309    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
310    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
311    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
312    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
313    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
314    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
315    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
317    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
318    until a break in traffic allows time to do so without harming
319    network latency too greatly.)
321 4.4. Tearing down circuits
323    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
324    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
325    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
326    either completely or hop-by-hop.
328    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
329    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
330    direction's circID.
332    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
333    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
334    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
335    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
336    down any associated edge connections (see section 5.1).
338    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
339    destroy cells for the corresponding circuit.
341    (The rest of this section is not currently used; on errors, circuits
342    are destroyed, not truncated.)
344    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
345    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
346    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
347    RELAY_TRUNCATED cell.
349    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
350    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
351    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
352    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
353    should send a DESTROY cell down the circuit.
355 4.5. Routing relay cells
357    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
358    determines whether it has a corresponding circuit along that
359    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
361    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
362    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
363    with AES/CTR, as follows:
364         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
365             Use Kf as key; decrypt.
366         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
367             Use Kb as key; encrypt.
369    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
370    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
371    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
372    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
373    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
374    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
375    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
377    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
378    with AES/CTR as follows:
379          OP receives data cell:
380             For I=N...1,
381                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
382                 section 5.1), then stop and process the payload.
384    For more information, see section 5 below.
386 5. Application connections and stream management
388 5.1. Relay cells
390    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
391    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
392    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
393    by either edge; streams are initiated by the OP.
395    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
396          Relay command           [1 byte]
397          'Recognized'            [2 bytes]
398          StreamID                [2 bytes]
399          Digest                  [4 bytes]
400          Length                  [2 bytes]
401          Data                    [498 bytes]
403    The relay commands are:
404          1 -- RELAY_BEGIN
405          2 -- RELAY_DATA
406          3 -- RELAY_END
407          4 -- RELAY_CONNECTED
408          5 -- RELAY_SENDME
409          6 -- RELAY_EXTEND
410          7 -- RELAY_EXTENDED
411          8 -- RELAY_TRUNCATE
412          9 -- RELAY_TRUNCATED
413         10 -- RELAY_DROP
414         11 -- RELAY_RESOLVE
415         12 -- RELAY_RESOLVED
417    The 'Recognized' field in any unencrypted relay payload is always
418    set to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes
419    of the running SHA-1 digest of all the bytes that have travelled
420    over this circuit, seeded from Df or Db respectively (obtained in
421    section 4.2 above), and including this RELAY cell's entire payload
422    (taken with the digest field set to zero).
424    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
425    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
426    decryption (see section 4.5 above).
428    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
429    same stream ID.  StreamIDs are chosen randomly by the OP.  RELAY
430    cells that affect the entire circuit rather than a particular
431    stream use a StreamID of zero.
433    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
434    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
435    the payload is padded with NUL bytes.
437 5.2. Opening streams and transferring data
439    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
440    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
441    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
442    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
443    and port of the destination host.  The payload format is:
445          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
447    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
448    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
449    and where PORT is encoded in decimal.
451    [What is the [00] for? -NM]
452    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
454    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
455    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
456    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
457    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
458    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
459    payload is the 4-byte IPv4 address or the 16-byte IPv6 address to which
460    the connection was made.
462    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
463    Once a connection has been established, the OP and exit node
464    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
465    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
466    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
468    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
469    a cell, the OR or OP must drop it.
471 5.3. Closing streams
473    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
474    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
475    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
476    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
477    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
478    circuit for that stream.
480    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
481    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
482    the reason.)  The values are:
484        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
485        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
486        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
487        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
488        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
489        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
490        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
491                                    while connecting)
492        8 -- (unallocated) [**]
493        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
494       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
495       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
496       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
497       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
498                                    Tor protocol violations.)
500    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
501    forms the optional data; no other reason currently has extra data.)
503    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
504    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
506    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
507        reset.
508    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
509         remain allocated until that version is obsolete.
511    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
513    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
514    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
516    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
517    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
518    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
519    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
520    onion router.
522    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
523    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
524    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
525    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
526    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
527    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
529    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
530    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
531    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
532    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
533    'CLOSED'.
535    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
536    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
538 5.4. Remote hostname lookup
540    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
541    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
542    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
543    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
544    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
545        Type   (1 octet)
546        Length (1 octet)
547        Value  (variable-width)
548    "Length" is the length of the Value field.
549    "Type" is one of:
550       0x00 -- Hostname
551       0x04 -- IPv4 address
552       0x06 -- IPv6 address
553       0xF0 -- Error, transient
554       0xF1 -- Error, nontransient
556     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
558     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
559     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
560     is actually created by the OR when resolving the name.
562 6. Flow control
564 6.1. Link throttling
566    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
567    user happy.
569    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
570    stop reading.
572 6.2. Link padding
574    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
575    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
576    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
577    for running a node, we plan to leave out link padding until this
578    tradeoff is better understood.
580 6.3. Circuit-level flow control
582    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
583    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
584    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
585    it is willing to deliver to streams outside the network.
586    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
587    in each direction (cells that are not data cells do not affect
588    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
589    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
590    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
591    packaging window.
593    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
595    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
596    window and a delivery window for every OR in the circuit.
598    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
599    corresponding window value falls under some threshold (900).
601    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
602    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
603    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
604 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
606 6.4. Stream-level flow control
608    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
609    control for individual connections across circuits. Similarly to
610    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
611    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
612    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
613    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
614    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
616 7. Directories and routers
618 7.1. Extensible information format
620 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
621 extensible information format.
623 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
624 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
625 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by a space and more
626 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
627 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
628 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
630 More formally:
632     Document ::= (Item | NL)+
633     Item ::= KeywordLine Object*
634     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword SP ArgumentsChar+ NL
635     Keyword = KeywordChar+
636     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
637     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
638     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
639     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
640     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
642     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
644 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
645 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
647 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
648 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
649 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
650 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
652 7.2. Router descriptor format.
654 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
655 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
656 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
657 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
658 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
659 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
660 order.
662 The items' formats are as follows:
663    "router" nickname address (ORPort SocksPort DirPort)?
665       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address" must be an
666       IPv4 address in dotted-quad format.  The Port values will soon be
667       deprecated; using them here is equivalent to using them in a "ports"
668       item.
670    "ports" ORPort SocksPort DirPort
672       Indicates the TCP ports at which this OR exposes functionality.
673       ORPort is a port at which this OR accepts TLS connections for the main
674       OR protocol;  SocksPort is the port at which this OR accepts SOCKS
675       connections; and DirPort is the port at which this OR accepts
676       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported, the
677       value 0 is given instead of a port number.
679    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
681       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
682       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
683       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
684       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
685       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
686       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
687       over any ten second period in the past day, and another sustained
688       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
690    "platform" string
692       A human-readable string describing the system on which this OR is
693       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
694       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
696    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
698       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
700    "fingerprint"
702       A fingerprint (20 byte SHA1 hash of asn1 encoded public key, encoded
703       in hex, with spaces after every 4 characters) for this router's
704       identity key.
706       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
707        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
709    "hibernating" 0|1
711       If the value is 1, then the Tor server was hibernating when the
712       descriptor was published, and shouldn't be used to build circuits.
714       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
715        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
717    "uptime"
719       The number of seconds that this OR process has been running.
721    "onion-key" NL a public key in PEM format
723       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
724       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
725       a subsequent descriptor.
727    "signing-key" NL a public key in PEM format
729       The OR's long-term identity key.
731    "accept" exitpattern
732    "reject" exitpattern
734        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
735        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
736        'exitpattern' syntax is described below.
738    "router-signature" NL Signature NL
740        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded SHA1
741        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
742        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
743        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
744        with the router's identity key.
746    "contact" info NL
748        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
749        including an email address and a PGP key fingerprint.
751    "family" names NL
753        'Names' is a space-separated list of server nicknames. If two ORs
754        list one another in their "family" entries, then OPs should treat
755        them as a single OR for the purpose of path selection.
757        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
758        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
759        be used on the same circuit.
761    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
762    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
764        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
765        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
766        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
767        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
769        [We didn't start parsing these lines until Tor 0.1.0.6-rc; they should
770         be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
772 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
774 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
775 portspec ::= "*" | port | port "-" port
776 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
777 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
778 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
779 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
780 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
781 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
782 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
783 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
784 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
786 Ports are required; if they are not included in the router
787 line, they must appear in the "ports" lines.
789 7.3. Directory format
791 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
792 the following, in any order: "recommended-software", "published",
793 "router-status", "dir-signing-key".  It may include any number of "opt"
794 items.  After these items, a directory includes any number of router
795 descriptors, and a single "directory-signature" item.
797     "signed-directory"
799         Indicates the start of a directory.
801     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
803         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
805     "dir-signing-key"
807         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
809     "recommended-software"  comma-separated-version-list
811         A list of which versions of which implementations are currently
812         believed to be secure and compatible with the network.
814     "running-routers" space-separated-list
816         A description of which routers are currently believed to be up or
817         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
818         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
819         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
820         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
821         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
822         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
823         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
824         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
825         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
826         instead.]
828     "router-status" space-separated-list
830         A description of which routers are currently believed to be up or
831         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
832         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
833         format:
835               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
836               name=$digest   [Verified router, currently live.]
837               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
838           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
840         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
841         encoding of the hash of the routers' identity key).
843         When parsing this line, clients should only mark a router as
844         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
846     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
848 Note:  The router descriptor for the directory server MUST appear first.
849 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
850 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
851 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
852 and signed with the directory server's signing key.
854 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
855 it should reject only that router descriptor, and continue using the
856 others.  If it encounters an unrecognized keyword in the directory header,
857 it should reject the entire directory.
859 7.4. Network-status descriptor
861 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
862 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
863 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
864 entries.
866      "network-status"
868         Must appear first.
870      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
872         (see 7.3 above)
874      "router-status" list
876         (see 7.3 above)
878      "directory-signature" NL signature
880         (see 7.3 above)
882 7.5. Behavior of a directory server
884 lists nodes that are connected currently
885 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
887 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
888 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
889 The basic interactions are:
890   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
891     command, url, content-length, host.
892   Get "/tor/" to fetch a full directory.
893   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
894   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
895   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
896     request containing the descriptor.
898   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
899   the request can survive going through HTTP proxies.
901 A.1. Differences between spec and implementation
903 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
904   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
905   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
906   support at all.