Make OpenSSL configure.in logic match libevent configure.in logic.
[tor.git] / doc / tor-spec.txt
blob7896ebfce50957400ed2a6ef961bae042efde29c
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
9 versions of Tor will implement improved protocols, and compatibility is not
10 guaranteed.
12 This is not a design document; most design criteria are not examined.  For
13 more information on why Tor acts as it does, see tor-design.pdf.
15 TODO: (very soon)
16       - REASON_CONNECTFAILED should include an IP.
17       - Copy prose from tor-design to make everything more readable.
18 when do we rotate which keys (tls, link, etc)?
20 0. Notation:
22    PK -- a public key.
23    SK -- a private key
24    K  -- a key for a symmetric cypher
26    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
28    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
29    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
31    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
33    Unless otherwise specified, all symmetric ciphers are AES in counter
34    mode, with an IV of all 0 bytes.  Asymmetric ciphers are either RSA
35    with 1024-bit keys and exponents of 65537, or DH where the generator (g)
36    is 2 and the modulus (p) is the 1024-bit safe prime from rfc2409,
37    section 6.2, whose hex representation is:
39      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
40      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
41      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
42      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
43      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
45    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
46    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
47    than once.
49    All "hashes" are 20-byte SHA1 cryptographic digests.
51    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA1 hash of the
52    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
54 1. System overview
56    Onion Routing is a distributed overlay network designed to anonymize
57    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
58    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
59    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
60    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
61    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
62    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
63    the layers of an onion) and relayed downstream.
65 2. Connections
67    There are two ways to connect to an onion router (OR). The first is
68    as an onion proxy (OP), which allows the OP to authenticate the OR
69    without authenticating itself.  The second is as another OR, which
70    allows mutual authentication.
72    Tor uses TLS for link encryption.  All implementations MUST support
73    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
74    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
75    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
76    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
77    least 128 bits, and digests of at least 160 bits.
79    An OP or OR always sends a two-certificate chain, consisting of a
80    certificate using a short-term connection key and a second, self-
81    signed certificate containing the OR's identity key. The commonName of the
82    first certificate is the OR's nickname, and the commonName of the second
83    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
84    "<identity>".
86    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
87    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
88    the one given in the directory; when creating a connection because of an
89    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
90    the key is not as expected, the party must close the connection.
92    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
93    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
94    with malformed or missing certificates.
96    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
97    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
98    cells are 512 bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
99    records of any size or divided across TLS records, but the framing
100    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
101    of the cells.
103    TLS connections are not permanent. An OP or an OR may close a
104    connection to an OR if there are no circuits running over the
105    connection, and an amount of time (KeepalivePeriod, defaults to 5
106    minutes) has passed.
108    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
109    the ORs.)
111 3. Cell Packet format
113    The basic unit of communication for onion routers and onion
114    proxies is a fixed-width "cell".  Each cell contains the following
115    fields:
117         CircID                                [2 bytes]
118         Command                               [1 byte]
119         Payload (padded with 0 bytes)         [509 bytes]
120                                          [Total size: 512 bytes]
122    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
123    associated with.
125    The 'Command' field holds one of the following values:
126          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 6.2)
127          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 4)
128          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 4)
129          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5)
130          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 4)
131          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See sec 4)
132          6 -- CREATED_FAST (Circtuit created, no PK) (See Sec 4)
134    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
135       PADDING: Payload is unused.
136       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
137       CREATED: Payload contains the handshake response.
138       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
139       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
140                (see 4.4)
141    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
142    drop the cell.
144    The payload is padded with 0 bytes.
146    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
147    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
148    cell every few minutes.
150    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
151    see section 4 below.
153    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
154    section 5 below.
156 4. Circuit management
158 4.1. CREATE and CREATED cells
160    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
161    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
162    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
163    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
164    of derivative key data (see section 4.2). To extend a circuit past
165    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
166    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
167    to extend the circuit.
169    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
170    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
172    The data is encrypted to Bob's PK as follows: Suppose Bob's PK
173    modulus is L octets long. If the data to be encrypted is shorter
174    than L-42, then it is encrypted directly (with OAEP padding: see
175    ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf). If the
176    data is at least as long as L-42, then a randomly generated 16-byte
177    symmetric key is prepended to the data, after which the first L-16-42
178    bytes of the data are encrypted with Bob's PK; and the rest of the
179    data is encrypted with the symmetric key.
181    So in this case, the onion skin can be thought of as:
182        RSA-encrypted:
183          OAEP padding                  [42 bytes]
184          Symmetric key                 [16 bytes]
185          First part of g^x             [70 bytes]
186        Symmetrically encrypted:
187          Second part of g^x            [58 bytes]
189    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
190          Address                       [4 bytes]
191          Port                          [2 bytes]
192          Onion skin                    [186 bytes]
193          Identity fingerprint          [20 bytes]
195    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
196    onion router in the circuit; the public key hash is the SHA1 hash of the
197    PKCS#1 ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.
198    (Including this hash allows the extending OR verify that it is indeed
199    connected to the correct target OR, and prevents certain man-in-the-middle
200    attacks.)
202    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
203    EXTENDED cell, contains:
204          DH data (g^y)                 [128 bytes]
205          Derivative key data (KH)      [20 bytes]   <see 4.2 below>
207    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
208    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
209    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
210    from only one half of the possible values based on the ORs' public
211    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
212    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
214    Public keys are compared numerically by modulus.
216    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
218    (Older versions of Tor compared OR nicknames, and did it in a broken and
219    unreliable way.  To support versions of Tor earlier than 0.0.9pre6,
220    implementations should notice when the other side of a connection is
221    sending CREATE cells with the "wrong" MSB, and switch accordingly.)
223 4.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
225    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
226    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
227    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
228    public key operations to create a circuit.  In this case, the
229    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
230    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
231    created.
233    A CREATE_FAST cell contains:
235        Key material (X)    [20 bytes]
237    A CREATED_FAST cell contains:
239        Key material (Y)    [20 bytes]
240        Derivative key data [20 bytes] (See 4.2 below)
242    The values of X and Y must be generated randomly.
244    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
245     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
247 4.2. Setting circuit keys
249    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
250    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
251    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
252    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
253    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
254    with degenerate keys.  Implementions MAY discard other "weak" g^x values.
256    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys are not
257    discarded, an attacker can substitute the server's CREATED cell's g^y with
258    0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating the server.)
260    (The mainline Tor implementation, in the 0.1.1.x-alpha series, discarded
261    all g^x values less than 2^24, greater than p-2^24, or having more than
262    1024-16 identical bits.  This served no useful purpose, and we stopped.)
264    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
265    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
266    integer.
268    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
269    K0=X|Y.
271    From the base key material K0, they compute 100 bytes of derivative
272    key data as K = SHA1(K0 | [00]) | SHA1(K0 | [01]) | ... SHA1(K0 |
273    [04]) where "00" is a single octet whose value is zero, [01] is a
274    single octet whose value is one, etc.  The first 20 bytes of K form
275    KH, bytes 21-40 form the forward digest Df, 41-60 form the backward
276    digest Db, 61-76 form Kf, and 77-92 form Kb.
278    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
279    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
280    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
281    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
282    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
283    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
285 4.3. Creating circuits
287    When creating a circuit through the network, the circuit creator
288    (OP) performs the following steps:
290       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
291          router's exit policy includes at least one pending stream that
292          needs a circuit (if there are any).
294       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
295          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
296          appears in the path twice.
298       3. If not already connected to the first router in the chain,
299          open a new connection to that router.
301       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
302          first router in the chain; send a CREATE cell along the
303          connection, to be received by the first onion router.
305       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
306          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
308       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
309          the circuit to R.
311    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
312    these steps:
314       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public key.
316       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
317          the circuit (see section 5).
319       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
320          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
322    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
323    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
324    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
325    used on the connection between the two onion routers.  (But see
326    section 4.1. above, concerning choosing circIDs based on
327    lexicographic order of nicknames.)
329    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
330    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
331    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
332    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
333    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
334    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
335    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
337    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
338    until a break in traffic allows time to do so without harming
339    network latency too greatly.)
341 4.4. Tearing down circuits
343    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
344    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
345    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
346    either completely or hop-by-hop.
348    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
349    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
350    direction's circID.
352    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
353    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
354    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
355    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
356    down any associated edge connections (see section 5.1).
358    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
359    destroy cells for the corresponding circuit.
361    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
362    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
363    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
364    RELAY_TRUNCATED cell.
366    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
367    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
368    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
369    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
370    should send a DESTROY cell down the circuit.
372    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
373    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
374    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
375    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
376    this error code to 0, to avoid leaking its version.
378    The error codes are:
379      0 -- NONE            (No reason given.)
380      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
381      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
382      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
383      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
384      5 -- RESOURCELIMIT (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
385      6 -- CONNECTFAILED (Unable to reach server.)
386      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
387                            as expected.)
388      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
389                            died.)
391    [Versions of Tor prior to 0.1.0.11 didn't sent versions; implementations
392    MUST accept empty TRUNCATED and DESTROY cells.]
394 4.5. Routing relay cells
396    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
397    determines whether it has a corresponding circuit along that
398    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
400    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
401    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
402    with AES/CTR, as follows:
403         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
404             Use Kf as key; decrypt.
405         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
406             Use Kb as key; encrypt.
407    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
409    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
410    inspecting the payload as described in section 5.1 below.  If the OR
411    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
412    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
413    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
414    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
415    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
417    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
418    with AES/CTR as follows:
419          OP receives data cell:
420             For I=N...1,
421                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
422                 section 5.1), then stop and process the payload.
424    For more information, see section 5 below.
426 5. Application connections and stream management
428 5.1. Relay cells
430    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
431    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
432    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
433    by either edge; streams are initiated by the OP.
435    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
436          Relay command           [1 byte]
437          'Recognized'            [2 bytes]
438          StreamID                [2 bytes]
439          Digest                  [4 bytes]
440          Length                  [2 bytes]
441          Data                    [498 bytes]
443    The relay commands are:
444          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
445          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
446          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
447          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
448          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward]
449          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]
450          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]
451          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]
452          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]
453         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward]
454         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
455         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
457    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
458    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
459    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
460    as either can be sent either by the originator or other nodes.
462    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
463    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
464    the running SHA-1 digest of all the bytes that have been destined for
465    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
466    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 4.2 above),
467    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
468    field set to zero).
470    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
471    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
472    decryption (see section 4.5 above).
474    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
475    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
476    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
477    digest does not match, the running digest at that node should
478    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
480    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
481    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
482    cells that affect the entire circuit rather than a particular
483    stream use a StreamID of zero.
485    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
486    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
487    the payload is padded with NUL bytes.
489    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
490    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
491    still count with respect to the digests, though. [Before
492    0.1.1.10, Tor closed circuits when it received an unknown relay
493    command. Perhaps this will be more forward-compatible. -RD]
495 5.2. Opening streams and transferring data
497    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
498    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
499    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
500    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
501    and port of the destination host.  The payload format is:
503          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
505    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
506    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
507    and where PORT is encoded in decimal.
509    [What is the [00] for? -NM]
510    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
512    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
513    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
514    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
515    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 5.4 below.)
516    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
517    payload is in one of the following formats:
518        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
519        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
520     or
521        Four zero-valued octets [4 octets]
522        An address type (6)     [1 octet]
523        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
524        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
525    [XXXX Versions of Tor before 0.1.1.6 ignore and do not generate the TTL
526    field.  No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
528    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
529    Once a connection has been established, the OP and exit node
530    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
531    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
532    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
534    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
535    a cell, the OR or OP must drop it.
537 5.3. Closing streams
539    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
540    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
541    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
542    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
543    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
544    circuit for that stream.
546    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
547    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
548    the reason.)  The values are:
550        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
551        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
552        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
553        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
554        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
555        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
556        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
557                                    while connecting)
558        8 -- (unallocated) [**]
559        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
560       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
561       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
562       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
563       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
564                                    Tor protocol violations.)
566    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
567    forms the optional data; no other reason currently has extra data.
568    As of 0.1.1.6, the body also contains a 4-byte TTL.)
570    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
571    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
573    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
574        reset.
575    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
576         remain allocated until that version is obsolete.
578    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
580    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
581    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
583    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
584    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
585    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
586    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
587    onion router.
589    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
590    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
591    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
592    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
593    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
594    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
596    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
597    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
598    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
599    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
600    'CLOSED'.
602    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
603    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
605 5.4. Remote hostname lookup
607    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
608    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
609    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
610    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
611    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
612        Type   (1 octet)
613        Length (1 octet)
614        Value  (variable-width)
615        TTL    (4 octets)
616    "Length" is the length of the Value field.
617    "Type" is one of:
618       0x00 -- Hostname
619       0x04 -- IPv4 address
620       0x06 -- IPv6 address
621       0xF0 -- Error, transient
622       0xF1 -- Error, nontransient
624     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
626     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
627     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
628     is actually created by the OR when resolving the name.
630 6. Flow control
632 6.1. Link throttling
634    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
635    user happy.
637    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
638    stop reading.
640 6.2. Link padding
642    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
643    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
644    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
645    for running a node, we plan to leave out link padding until this
646    tradeoff is better understood.
648 6.3. Circuit-level flow control
650    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
651    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
652    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
653    it is willing to deliver to streams outside the network.
654    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
655    in each direction (cells that are not data cells do not affect
656    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
657    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
658    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
659    packaging window.
661    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
663    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
664    window and a delivery window for every OR in the circuit.
666    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
667    corresponding window value falls under some threshold (900).
669    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
670    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
671    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
672 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
674 6.4. Stream-level flow control
676    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
677    control for individual connections across circuits. Similarly to
678    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
679    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
680    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
681    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
682    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
684 7. Directories and routers
686 7.1. Extensible information format
688 Router descriptors and directories both obey the following lightweight
689 extensible information format.
691 The highest level object is a Document, which consists of one or more Items.
692 Every Item begins with a KeywordLine, followed by one or more Objects. A
693 KeywordLine begins with a Keyword, optionally followed by whitespace and more
694 non-newline characters, and ends with a newline.  A Keyword is a sequence of
695 one or more characters in the set [A-Za-z0-9-].  An Object is a block of
696 encoded data in pseudo-Open-PGP-style armor. (cf. RFC 2440)
698 More formally:
700     Document ::= (Item | NL)+
701     Item ::= KeywordLine Object*
702     KeywordLine ::= Keyword NL | Keyword WS ArgumentsChar+ NL
703     Keyword = KeywordChar+
704     KeywordChar ::= 'A' ... 'Z' | 'a' ... 'z' | '0' ... '9' | '-'
705     ArgumentChar ::= any printing ASCII character except NL.
706     WS = (SP | TAB)+
707     Object ::= BeginLine Base-64-encoded-data EndLine
708     BeginLine ::= "-----BEGIN " Keyword "-----" NL
709     EndLine ::= "-----END " Keyword "-----" NL
711     The BeginLine and EndLine of an Object must use the same keyword.
713 When interpreting a Document, software MUST reject any document containing a
714 KeywordLine that starts with a keyword it doesn't recognize.
716 The "opt" keyword is reserved for non-critical future extensions.  All
717 implementations MUST ignore any item of the form "opt keyword ....." when
718 they would not recognize "keyword ....."; and MUST treat "opt keyword ....."
719 as synonymous with "keyword ......" when keyword is recognized.
721 7.2. Router descriptor format.
723 Every router descriptor MUST start with a "router" Item; MUST end with a
724 "router-signature" Item and an extra NL; and MUST contain exactly one
725 instance of each of the following Items: "published" "onion-key" "link-key"
726 "signing-key" "bandwidth".  Additionally, a router descriptor MAY contain any
727 number of "accept", "reject", "fingerprint", "uptime", and "opt" Items.
728 Other than "router" and "router-signature", the items may appear in any
729 order.
731 The items' formats are as follows:
732    "router" nickname address ORPort SocksPort DirPort
734       Indicates the beginning of a router descriptor.  "address"
735       must be an IPv4 address in dotted-quad format. The last
736       three numbers indicate the TCP ports at which this OR exposes
737       functionality. ORPort is a port at which this OR accepts TLS
738       connections for the main OR protocol; SocksPort is deprecated and
739       should always be 0; and DirPort is the port at which this OR accepts
740       directory-related HTTP connections.  If any port is not supported,
741       the value 0 is given instead of a port number.
743    "bandwidth" bandwidth-avg bandwidth-burst bandwidth-observed
745       Estimated bandwidth for this router, in bytes per second.  The
746       "average" bandwidth is the volume per second that the OR is willing
747       to sustain over long periods; the "burst" bandwidth is the volume
748       that the OR is willing to sustain in very short intervals.  The
749       "observed" value is an estimate of the capacity this server can
750       handle.  The server remembers the max bandwidth sustained output
751       over any ten second period in the past day, and another sustained
752       input.  The "observed" value is the lesser of these two numbers.
754    "platform" string
756       A human-readable string describing the system on which this OR is
757       running.  This MAY include the operating system, and SHOULD include
758       the name and version of the software implementing the Tor protocol.
760    "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
762       The time, in GMT, when this descriptor was generated.
764    "fingerprint"
766       A fingerprint (20 byte SHA1 hash of asn1 encoded public key, encoded
767       in hex, with a single space after every 4 characters) for this router's
768       identity key.
770       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
771        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
773    "hibernating" 0|1
775       If the value is 1, then the Tor server was hibernating when the
776       descriptor was published, and shouldn't be used to build circuits.
778       [We didn't start parsing this line until Tor 0.1.0.6-rc; it should
779        be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
781    "uptime"
783       The number of seconds that this OR process has been running.
785    "onion-key" NL a public key in PEM format
787       This key is used to encrypt EXTEND cells for this OR.  The key MUST
788       be accepted for at least XXXX hours after any new key is published in
789       a subsequent descriptor.
791    "signing-key" NL a public key in PEM format
793       The OR's long-term identity key.
795    "accept" exitpattern
796    "reject" exitpattern
798        These lines, in order, describe the rules that an OR follows when
799        deciding whether to allow a new stream to a given address.  The
800        'exitpattern' syntax is described below.
802    "router-signature" NL Signature NL
804        The "SIGNATURE" object contains a signature of the PKCS1-padded SHA1
805        hash of the entire router descriptor, taken from the beginning of the
806        "router" line, through the newline after the "router-signature" line.
807        The router descriptor is invalid unless the signature is performed
808        with the router's identity key.
810    "contact" info NL
812        Describes a way to contact the server's administrator, preferably
813        including an email address and a PGP key fingerprint.
815    "family" names NL
817        'Names' is a whitespace-separated list of server nicknames. If two ORs
818        list one another in their "family" entries, then OPs should treat them
819        as a single OR for the purpose of path selection.
821        For example, if node A's descriptor contains "family B", and node B's
822        descriptor contains "family A", then node A and node B should never
823        be used on the same circuit.
825    "read-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
826    "write-history" YYYY-MM-DD HH:MM:SS (NSEC s) NUM,NUM,NUM,NUM,NUM... NL
828        Declare how much bandwidth the OR has used recently. Usage is divided
829        into intervals of NSEC seconds.  The YYYY-MM-DD HH:MM:SS field defines
830        the end of the most recent interval.  The numbers are the number of
831        bytes used in the most recent intervals, ordered from oldest to newest.
833        [We didn't start parsing these lines until Tor 0.1.0.6-rc; they should
834         be marked with "opt" until earlier versions of Tor are obsolete.]
836 nickname ::= between 1 and 19 alphanumeric characters, case-insensitive.
838 exitpattern ::= addrspec ":" portspec
839 portspec ::= "*" | port | port "-" port
840 port ::= an integer between 1 and 65535, inclusive.
841 addrspec ::= "*" | ip4spec | ip6spec
842 ipv4spec ::= ip4 | ip4 "/" num_ip4_bits | ip4 "/" ip4mask
843 ip4 ::= an IPv4 address in dotted-quad format
844 ip4mask ::= an IPv4 mask in dotted-quad format
845 num_ip4_bits ::= an integer between 0 and 32
846 ip6spec ::= ip6 | ip6 "/" num_ip6_bits
847 ip6 ::= an IPv6 address, surrounded by square brackets.
848 num_ip6_bits ::= an integer between 0 and 128
850 Ports are required; if they are not included in the router
851 line, they must appear in the "ports" lines.
853 7.3. Directory format
855 A Directory begins with a "signed-directory" item, followed by one each of
856 the following, in any order: "recommended-software", "published",
857 "router-status", "dir-signing-key".  It may include any number of "opt"
858 items.  After these items, a directory includes any number of router
859 descriptors, and a single "directory-signature" item.
861     "signed-directory"
863         Indicates the start of a directory.
865     "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
867         The time at which this directory was generated and signed, in GMT.
869     "dir-signing-key"
871         The key used to sign this directory; see "signing-key" for format.
873     "recommended-software"  comma-separated-version-list
875         A list of which versions of which implementations are currently
876         believed to be secure and compatible with the network.
878     "running-routers" whitespace-separated-list
880         A description of which routers are currently believed to be up or
881         down.  Every entry consists of an optional "!", followed by either an
882         OR's nickname, or "$" followed by a hexadecimal encoding of the hash
883         of an OR's identity key.  If the "!" is included, the router is
884         believed not to be running; otherwise, it is believed to be running.
885         If a router's nickname is given, exactly one router of that nickname
886         will appear in the directory, and that router is "approved" by the
887         directory server.  If a hashed identity key is given, that OR is not
888         "approved".  [XXXX The 'running-routers' line is only provided for
889         backward compatibility.  New code should parse 'router-status'
890         instead.]
892     "router-status" whitespace-separated-list
894         A description of which routers are currently believed to be up or
895         down, and which are verified or unverified.  Contains one entry for
896         every router that the directory server knows.  Each entry is of the
897         format:
899               !name=$digest  [Verified router, currently not live.]
900               name=$digest   [Verified router, currently live.]
901               !$digest       [Unverified router, currently not live.]
902           or  $digest        [Unverified router, currently live.]
904         (where 'name' is the router's nickname and 'digest' is a hexadecimal
905         encoding of the hash of the routers' identity key).
907         When parsing this line, clients should only mark a router as
908         'verified' if its nickname AND digest match the one provided.
910     "directory-signature" nickname-of-dirserver NL Signature
912 The signature is computed by computing the SHA-1 hash of the
913 directory, from the characters "signed-directory", through the newline
914 after "directory-signature".  This digest is then padded with PKCS.1,
915 and signed with the directory server's signing key.
917 If software encounters an unrecognized keyword in a single router descriptor,
918 it MUST reject only that router descriptor, and continue using the
919 others.  Because this mechanism is used to add 'critical' extensions to
920 future versions of the router descriptor format, implementation should treat
921 it as a normal occurrence and not, for example, report it to the user as an
922 error.  [Versions of Tor prior to 0.1.1 did this.]
924 If software encounters an unrecognized keyword in the directory header,
925 it SHOULD reject the entire directory.
927 7.4. Network-status descriptor
929 A "network-status" (a.k.a "running-routers") document is a truncated
930 directory that contains only the current status of a list of nodes, not
931 their actual descriptors.  It contains exactly one of each of the following
932 entries.
934      "network-status"
936         Must appear first.
938      "published" YYYY-MM-DD HH:MM:SS
940         (see 7.3 above)
942      "router-status" list
944         (see 7.3 above)
946      "directory-signature" NL signature
948         (see 7.3 above)
950 7.5. Behavior of a directory server
952 lists nodes that are connected currently
953 speaks HTTP on a socket, spits out directory on request
955 Directory servers listen on a certain port (the DirPort), and speak a
956 limited version of HTTP 1.0. Clients send either GET or POST commands.
957 The basic interactions are:
958   "%s %s HTTP/1.0\r\nContent-Length: %lu\r\nHost: %s\r\n\r\n",
959     command, url, content-length, host.
960   Get "/tor/" to fetch a full directory.
961   Get "/tor/dir.z" to fetch a compressed full directory.
962   Get "/tor/running-routers" to fetch a network-status descriptor.
963   Post "/tor/" to post a server descriptor, with the body of the
964     request containing the descriptor.
966   "host" is used to specify the address:port of the dirserver, so
967   the request can survive going through HTTP proxies.
969 A.1. Differences between spec and implementation
971 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
972   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
973   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
974   support at all.
976 B. Things that should change in a later version of the Tor protocol
979 B.1. ... but which will require backward-incompatible change
981   - Circuit IDs should be longer.
982   - IPv6 everywhere.
983   - Maybe, keys should be longer.
984   - Drop backward compatibility.
985   - We should use a 128-bit subgroup of our DH prime.
986   - Handshake should use HMAC.
987   - Multiple cell lengths
988   - Ability to split circuits across paths (If this is useful.)
989   - SENDME windows should be dynamic.
991   - Directory
992      - Stop ever mentioning socks ports
994 B.1. ... and that will require no changes
996    - Mention multiple addr/port combos
997    - Advertised outbound IP?
998    - Migrate streams across circuits.
1000 B.2. ... and that we have no idea how to do.
1002    - UDP (as transport)
1003    - UDP (as content)
1004    - Use a better AES mode that has built-in integrity checking,
1005      doesn't grow with the number of hops, is not patented, and
1006      is implemented and maintained by smart people.