intertwingle the 0.1.1.x and 0.1.2.x changelog entries
[tor.git] / doc / spec / tor-spec.txt
blobf27901ec822fb6fd401b7aef93dc734de43885a7
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This document aims to specify Tor as implemented in 0.1.2.x
9 and earlier.  Future versions of Tor may implement improved protocols, and
10 compatibility is not guaranteed.
12 This specification is not a design document; most design criteria
13 are not examined.  For more information on why Tor acts as it does,
14 see tor-design.pdf.
16 0. Preliminaries
18 0.1.  Notation and encoding
20    PK -- a public key.
21    SK -- a private key.
22    K  -- a key for a symmetric cypher.
24    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
26    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
27    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
29    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
31    H(m) -- a cryptographic hash of m.
33 0.2. Security parameters
35    Tor uses a stream cipher, a public-key cipher, the Diffie-Hellman
36    protocol, and a hash function.
38    KEY_LEN -- the length of the stream cipher's key, in bytes.
40    PK_ENC_LEN -- the length of a public-key encrypted message, in bytes.
41    PK_PAD_LEN -- the number of bytes added in padding for public-key
42      encryption, in bytes. (The largest number of bytes that can be encrypted
43      in a single public-key operation is therefore PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN.)
45    DH_LEN -- the number of bytes used to represent a member of the
46      Diffie-Hellman group.
47    DH_SEC_LEN -- the number of bytes used in a Diffie-Hellman private key (x).
49    HASH_LEN -- the length of the hash function's output, in bytes.
51    PAYLOAD_LEN -- The longest allowable cell payload, in bytes. (509)
53    CELL_LEN -- The length of a Tor cell, in bytes.
55 0.3. Ciphers
57    For a stream cipher, we use 128-bit AES in counter mode, with an IV of all
58    0 bytes.
60    For a public-key cipher, we use RSA with 1024-bit keys and a fixed
61    exponent of 65537.  We use OAEP-MGF1 padding, with SHA-1 as its digest
62    function.  We leave optional the "Label" parameter unset. (For OAEP
63    padding, see ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf)
65    For Diffie-Hellman, we use a generator (g) of 2.  For the modulus (p), we
66    use the 1024-bit safe prime from rfc2409 section 6.2 whose hex
67    representation is:
69      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
70      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
71      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
72      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
73      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
75    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
76    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
77    than once.
78    [May other implementations reuse their DH keys?? -RD]
79    [Probably not. Conceivably, you could get away with changing DH keys once
80    per second, but there are too many oddball attacks for me to be
81    comfortable that this is safe. -NM]
83    For a hash function, we use SHA-1.
85    KEY_LEN=16.
86    DH_LEN=128; DH_SEC_LEN=40.
87    PK_ENC_LEN=128; PK_PAD_LEN=42.
88    HASH_LEN=20.
90    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA-1 hash of the
91    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
93    All "random" values should be generated with a cryptographically strong
94    random number generator, unless otherwise noted.
96    The "hybrid encryption" of a byte sequence M with a public key PK is
97    computed as follows:
98       1. If M is less than PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN, pad and encrypt M with PK.
99       2. Otherwise, generate a KEY_LEN byte random key K.
100          Let M1 = the first PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes of M,
101          and let M2 = the rest of M.
102          Pad and encrypt K|M1 with PK.  Encrypt M2 with our stream cipher,
103          using the key K.  Concatenate these encrypted values.
104    [XXX Note that this "hybrid encryption" approach does not prevent
105    an attacker from adding or removing bytes to the end of M. It also
106    allows attackers to modify the bytes not covered by the OAEP --
107    see Goldberg's PET2006 paper for details. We will add a MAC to this
108    scheme one day. -RD]
110 0.4. Other parameter values
112    CELL_LEN=512
114 1. System overview
116    Tor is a distributed overlay network designed to anonymize
117    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
118    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
119    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
120    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
121    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
122    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
123    the layers of an onion) and relayed downstream.
125 1.1. Keys and names
127    Every Tor server has multiple public/private keypairs:
129     - A long-term signing-only "Identity key" used to sign documents and
130       certificates, and used to establish server identity.
131     - A medium-term "Onion key" used to decrypt onion skins when accepting
132       circuit extend attempts.  (See 5.1.)  Old keys MUST be accepted for at
133       least one week after they are no longer advertised.  Because of this,
134       servers MUST retain old keys for a while after they're rotated.
135     - A short-term "Connection key" used to negotiate TLS connections.
136       Tor implementations MAY rotate this key as often as they like, and
137       SHOULD rotate this key at least once a day.
139    Tor servers are also identified by "nicknames"; these are specified in
140    dir-spec.txt.
142 2. Connections
144    Tor uses TLS for link authentication and encryption.  All implementations
145    MUST support
146    the TLS ciphersuite "TLS_EDH_RSA_WITH_DES_192_CBC3_SHA", and SHOULD
147    support "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
148    Implementations MAY support other ciphersuites, but MUST NOT
149    support any suite without ephemeral keys, symmetric keys of at
150    least KEY_LEN bits, and digests of at least HASH_LEN bits.
152    Even though the connection protocol is identical, we think of the
153    initiator as either an onion router (OR) if it is willing to relay
154    traffic for other Tor users, or an onion proxy (OP) if it only handles
155    local requests. Onion proxies SHOULD NOT provide long-term-trackable
156    identifiers in their handshakes.
158    During the TLS handshake, the connection initiator always sends a
159    two-certificate chain, consisting of an X.509 certificate using a
160    short-term connection public key and a second, self- signed X.509
161    certificate containing its identity key. The commonName of the first
162    certificate is the OR's nickname, and the commonName of the second
163    certificate is the OR's nickname, followed by a space and the string
164    "<identity>".  The other party sends a similar certificate chain.
166    Implementations running Protocol 1 and earlier use an
167    organizationName of "Tor" or "TOR".  Future implementations (which
168    support the version negotiation protocol in section 4.1) MUST NOT
169    have either of these values for their organizationName.
171    All parties receiving certificates must confirm that the identity key is
172    as expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
173    the one given in the directory; when creating a connection because of an
174    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
175    the key is not as expected, the party must close the connection.
177    All parties SHOULD reject connections to or from ORs that have malformed
178    or missing certificates.  ORs MAY accept or reject connections from OPs
179    with malformed or missing certificates.
181    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
182    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
183    cells are CELL_LEN bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
184    records of any size or divided across TLS records, but the framing
185    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
186    of the cells.
188    TLS connections are not permanent. Either side may close a connection
189    if there are no circuits running over it and an amount of time
190    (KeepalivePeriod, defaults to 5 minutes) has passed.
192    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
193    the ORs -- though this will be phased out for the Tor 0.1.2.x release.)
195 3. Cell Packet format
197    The basic unit of communication for onion routers and onion
198    proxies is a fixed-width "cell".
200    On a version 1 connection, each cell contains the following
201    fields:
203         CircID                                [2 bytes]
204         Command                               [1 byte]
205         Payload (padded with 0 bytes)         [PAYLOAD_LEN bytes]
207    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
208    associated with.
210    The 'Command' field holds one of the following values:
211          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 7.2)
212          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 5.1)
213          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 5.1)
214          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5.5 and 6)
215          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 5.4)
216          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See Sec 5.1)
217          6 -- CREATED_FAST (Circuit created, no PK) (See Sec 5.1)
219    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
220       PADDING: Payload is unused.
221       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
222       CREATED: Payload contains the handshake response.
223       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
224       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
225                (see 5.4)
226    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
227    drop the cell.  [XXXX Versions prior to 0.1.0.?? logged a warning
228    when dropping the cell; this is bad behavior. -NM]
230    The payload is padded with 0 bytes.
232    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
233    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
234    cell every few minutes.
236    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
237    see section 4 below.
239    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
240    section 5 below.
242 4. [This section deliberately left blank.]
244 5. Circuit management
246 5.1. CREATE and CREATED cells
248    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
249    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
250    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
251    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
252    of derivative key data (see section 5.2). To extend a circuit past
253    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
254    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
255    to extend the circuit.
257    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
258    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
259    This value is hybrid-encrypted (see 0.3) to Bob's onion key, giving
260    an onion-skin of:
261        PK-encrypted:
262          Padding padding               [PK_PAD_LEN bytes]
263          Symmetric key                 [KEY_LEN bytes]
264          First part of g^x             [PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes]
265        Symmetrically encrypted:
266          Second part of g^x            [DH_LEN-(PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN)
267                                            bytes]
269    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
270          Address                       [4 bytes]
271          Port                          [2 bytes]
272          Onion skin                    [DH_LEN+KEY_LEN+PK_PAD_LEN bytes]
273          Identity fingerprint          [HASH_LEN bytes]
275    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
276    onion router in the circuit; the public key hash is the hash of the PKCS#1
277    ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.  (See 0.3
278    above.)  (Including this hash allows the extending OR verify that it is
279    indeed connected to the correct target OR, and prevents certain
280    man-in-the-middle attacks.)
282    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
283    EXTENDED cell, contains:
284          DH data (g^y)                 [DH_LEN bytes]
285          Derivative key data (KH)      [HASH_LEN bytes]   <see 5.2 below>
287    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
288    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
289    CircID collisions, when one OR sends a CREATE cell to another, it chooses
290    from only one half of the possible values based on the ORs' public
291    identity keys: if the sending OR has a lower key, it chooses a CircID with
292    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
294    Public keys are compared numerically by modulus.
296    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
299    To implement backward-compatible version negotiation, parties MUST
300    drop CREATE cells with all-[00] onion-skins.
303 5.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
305    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
306    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
307    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
308    public key operations to create a circuit.  In this case, the
309    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
310    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
311    created.
313    A CREATE_FAST cell contains:
315        Key material (X)    [HASH_LEN bytes]
317    A CREATED_FAST cell contains:
319        Key material (Y)    [HASH_LEN bytes]
320        Derivative key data [HASH_LEN bytes] (See 5.2 below)
322    The values of X and Y must be generated randomly.
324    [Versions of Tor before 0.1.0.6-rc did not support these cell types;
325     clients should not send CREATE_FAST cells to older Tor servers.]
327    If an OR sees a circuit created with CREATE_FAST, the OR is sure to be the
328    first hop of a circuit.  ORs SHOULD reject attempts to create streams with
329    RELAY_BEGIN exiting the circuit at the first hop: letting Tor be used as a
330    single hop proxy makes exit nodes a more attractive target for compromise.
332 5.2. Setting circuit keys
334    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
335    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
336    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
337    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
338    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
339    with degenerate keys.  Implementations MUST NOT discard other "weak"
340    g^x values.
342    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys
343    are not discarded, an attacker can substitute the server's CREATED
344    cell's g^y with 0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating
345    the server. Discarding other keys may allow attacks to learn bits of
346    the private key.)
348    (The mainline Tor implementation, in the 0.1.1.x-alpha series, discarded
349    all g^x values less than 2^24, greater than p-2^24, or having more than
350    1024-16 identical bits.  This served no useful purpose, and we stopped.)
352    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
353    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
354    integer.
356    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
357    K0=X|Y.
359    From the base key material K0, they compute KEY_LEN*2+HASH_LEN*3 bytes of
360    derivative key data as
361        K = H(K0 | [00]) | H(K0 | [01]) | H(K0 | [02]) | ...
363    The first HASH_LEN bytes of K form KH; the next HASH_LEN form the forward
364    digest Df; the next HASH_LEN 41-60 form the backward digest Db; the next
365    KEY_LEN 61-76 form Kf, and the final KEY_LEN form Kb.  Excess bytes from K
366    are discarded.
368    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
369    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
370    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
371    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
372    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
373    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
375 5.3. Creating circuits
377    When creating a circuit through the network, the circuit creator
378    (OP) performs the following steps:
380       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
381          router's exit policy includes at least one pending stream that
382          needs a circuit (if there are any).
384       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
385          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
386          appears in the path twice.
388       3. If not already connected to the first router in the chain,
389          open a new connection to that router.
391       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
392          first router in the chain; send a CREATE cell along the
393          connection, to be received by the first onion router.
395       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
396          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
398       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
399          the circuit to R.
401    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
402    these steps:
404       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public onion key.
406       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
407          the circuit (see section 5).
409       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
410          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
412    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
413    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
414    payload.  The initiating onion router chooses some circID not yet
415    used on the connection between the two onion routers.  (But see
416    section 5.1. above, concerning choosing circIDs based on
417    lexicographic order of nicknames.)
419    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
420    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
421    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
422    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
423    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
424    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
425    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
427    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
428    until a break in traffic allows time to do so without harming
429    network latency too greatly.)
431 5.4. Tearing down circuits
433    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
434    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
435    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
436    either completely or hop-by-hop.
438    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
439    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
440    direction's circID.
442    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
443    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
444    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
445    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
446    down any associated edge connections (see section 6.1).
448    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
449    destroy cells for the corresponding circuit.
451    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
452    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
453    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
454    RELAY_TRUNCATED cell.
456    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
457    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
458    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
459    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
460    should send a DESTROY cell down the circuit.
462    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
463    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
464    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
465    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
466    this error code to 0, to avoid leaking its version.
468    The error codes are:
469      0 -- NONE            (No reason given.)
470      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
471      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
472      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
473      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
474      5 -- RESOURCELIMIT   (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
475      6 -- CONNECTFAILED   (Unable to reach server.)
476      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
477                            as expected.)
478      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
479                            died.)
480      9 -- FINISHED        (The circuit has expired for being dirty or old.)
481     10 -- TIMEOUT         (Circuit construction took too long)
482     11 -- DESTROYED       (The circuit was destroyed w/o client TRUNCATE)
483     12 -- NOSUCHSERVICE   (Request for unknown hidden service)
485    [Versions of Tor prior to 0.1.0.11 didn't send reasons; implementations
486    MUST accept empty TRUNCATED and DESTROY cells.]
488 5.5. Routing relay cells
490    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
491    determines whether it has a corresponding circuit along that
492    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
494    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
495    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
496    with the stream cipher, as follows:
497         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
498             Use Kf as key; decrypt.
499         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
500             Use Kb as key; encrypt.
501    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
503    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
504    inspecting the payload as described in section 6.1 below.  If the OR
505    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
506    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
507    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
508    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
509    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
511    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
512    with the stream cipher as follows:
513          OP receives data cell:
514             For I=N...1,
515                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
516                 section 6..1), then stop and process the payload.
518    For more information, see section 6 below.
520 6. Application connections and stream management
522 6.1. Relay cells
524    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
525    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
526    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
527    by either edge; streams are initiated by the OP.
529    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
530          Relay command           [1 byte]
531          'Recognized'            [2 bytes]
532          StreamID                [2 bytes]
533          Digest                  [4 bytes]
534          Length                  [2 bytes]
535          Data                    [CELL_LEN-14 bytes]
537    The relay commands are:
538          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
539          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
540          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
541          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
542          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward] [sometimes control]
543          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]             [control]
544          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]            [control]
545          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]             [control]
546          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]            [control]
547         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward] [control]
548         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
549         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
550         13 -- RELAY_BEGIN_DIR [forward]
552    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
553    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
554    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
555    as either can be sent either by the originator or other nodes.
557    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
558    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
559    the running digest of all the bytes that have been destined for
560    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
561    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 5.2 above),
562    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
563    field set to zero).
565    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
566    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
567    decryption (see section 5.5 above).
569    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
570    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
571    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
572    digest does not match, the running digest at that node should
573    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
575    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
576    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
577    cells that affect the entire circuit rather than a particular
578    stream use a StreamID of zero -- they are marked in the table above
579    as "[control]" style cells. (Sendme cells are marked as "sometimes
580    control" because they can take include a StreamID or not depending
581    on their purpose -- see Section 7.)
583    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
584    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
585    the payload is padded with NUL bytes.
587    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
588    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
589    still count with respect to the digests, though. [Before
590    0.1.1.10, Tor closed circuits when it received an unknown relay
591    command. Perhaps this will be more forward-compatible. -RD]
593 6.2. Opening streams and transferring data
595    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
596    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
597    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
598    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
599    and port of the destination host.  The payload format is:
601          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
603    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
604    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
605    and where PORT is encoded in decimal.
607    [What is the [00] for? -NM]
608    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
610    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
611    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
612    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
613    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 6.4 below.)
614    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
615    payload is in one of the following formats:
616        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
617        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
618     or
619        Four zero-valued octets [4 octets]
620        An address type (6)     [1 octet]
621        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
622        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
623    [XXXX Versions of Tor before 0.1.1.6 ignore and do not generate the TTL
624    field.  No version of Tor currently generates the IPv6 format.
626    Tor servers before 0.1.2.0 set the TTL field to a fixed value.  Later
627    versions set the TTL to the last value seen from a DNS server, and expire
628    their own cached entries after a fixed interval.  This prevents certain
629    attacks.]
631    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
632    Once a connection has been established, the OP and exit node
633    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
634    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
635    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
637    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
638    a cell, the OR or OP must drop it.
640 6.2.1. Opening a directory stream
642    If a Tor server is a directory server, it should respond to a
643    RELAY_BEGIN_DIR cell as if it had received a BEGIN cell requesting a
644    connection to its directory port.  RELAY_BEGIN_DIR cells ignore exit
645    policy, since the stream is local to the Tor process.
647    If the Tor server is not running a directory service, it should respond
648    with a REASON_NOTDIRECTORY RELAY_END cell.
650    Clients MUST generate an all-zero payload for RELAY_BEGIN_DIR cells,
651    and servers MUST ignore the payload.
653    [RELAY_BEGIN_DIR was not supported before Tor 0.1.2.2-alpha; clients
654    SHOULD NOT send it to routers running earlier versions of Tor.]
656 6.3. Closing streams
658    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
659    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
660    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
661    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
662    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
663    circuit for that stream.
665    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
666    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
667    the reason.)  The values are:
669        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
670        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
671        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
672        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
673        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
674        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
675        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
676                                    while connecting)
677        8 -- (unallocated) [**]
678        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
679       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
680       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
681       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
682       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
683                                    Tor protocol violations.)
684       14 -- REASON_NOTDIRECTORY   (Client sent RELAY_BEGIN_DIR to a
685                                    non-directory server.)
687    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
688    forms the optional data; no other reason currently has extra data.
689    As of 0.1.1.6, the body also contains a 4-byte TTL.)
691    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
692    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
694    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
695        reset.
696    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
697         remain allocated until that version is obsolete.
699    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
701    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
702    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
704    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
705    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
706    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
707    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
708    onion router.
710    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
711    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
712    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
713    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
714    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
715    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
717    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
718    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
719    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
720    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
721    'CLOSED'.
723    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
724    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
726 6.4. Remote hostname lookup
728    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
729    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved.  (For a reverse
730    lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE cell containing an in-addr.arpa
731    address.)  The OR replies with a RELAY_RESOLVED cell containing a status
732    byte, and any number of answers.  Each answer is of the form:
733        Type   (1 octet)
734        Length (1 octet)
735        Value  (variable-width)
736        TTL    (4 octets)
737    "Length" is the length of the Value field.
738    "Type" is one of:
739       0x00 -- Hostname
740       0x04 -- IPv4 address
741       0x06 -- IPv6 address
742       0xF0 -- Error, transient
743       0xF1 -- Error, nontransient
745     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
747     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
748     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
749     is actually created by the OR when resolving the name.
751 7. Flow control
753 7.1. Link throttling
755    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
756    user happy.
758    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
759    stop reading.
761 7.2. Link padding
763    Link padding can be created by sending PADDING cells along the
764    connection; relay cells of type "DROP" can be used for long-range
765    padding.
767    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
768    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
769    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
770    for running a node, we plan to leave out link padding until this
771    tradeoff is better understood.
773 7.3. Circuit-level flow control
775    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of
776    two 'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is
777    allowed to package for transmission, and how many RELAY_DATA cells
778    it is willing to deliver to streams outside the network.
779    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
780    in each direction (cells that are not data cells do not affect
781    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
782    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
783    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
784    packaging window.
786    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
788    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
789    window and a delivery window for every OR in the circuit.
791    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
792    corresponding window value falls under some threshold (900).
794    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
795    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
796    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
797 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
799 7.4. Stream-level flow control
801    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
802    control for individual connections across circuits. Similarly to
803    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
804    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
805    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
806    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
807    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
810 A.1. Differences between spec and implementation
812 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
813   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
814   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
815   support at all.