clarify that 'resolve' relay cells nul-terminate the hostname, just
[tor/rransom.git] / doc / spec / tor-spec.txt
blob46030604782fbf394f7471a8c030dcd61281bc9a
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This document aims to specify Tor as implemented in 0.2.1.x.  Future
9 versions of Tor may implement improved protocols, and compatibility is not
10 guaranteed.  Compatibility notes are given for versions 0.1.1.15-rc and
11 later; earlier versions are not compatible with the Tor network as of this
12 writing.
14 This specification is not a design document; most design criteria
15 are not examined.  For more information on why Tor acts as it does,
16 see tor-design.pdf.
18 0. Preliminaries
20 0.1.  Notation and encoding
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    H(m) -- a cryptographic hash of m.
35 0.2. Security parameters
37    Tor uses a stream cipher, a public-key cipher, the Diffie-Hellman
38    protocol, and a hash function.
40    KEY_LEN -- the length of the stream cipher's key, in bytes.
42    PK_ENC_LEN -- the length of a public-key encrypted message, in bytes.
43    PK_PAD_LEN -- the number of bytes added in padding for public-key
44      encryption, in bytes. (The largest number of bytes that can be encrypted
45      in a single public-key operation is therefore PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN.)
47    DH_LEN -- the number of bytes used to represent a member of the
48      Diffie-Hellman group.
49    DH_SEC_LEN -- the number of bytes used in a Diffie-Hellman private key (x).
51    HASH_LEN -- the length of the hash function's output, in bytes.
53    PAYLOAD_LEN -- The longest allowable cell payload, in bytes. (509)
55    CELL_LEN -- The length of a Tor cell, in bytes.
57 0.3. Ciphers
59    For a stream cipher, we use 128-bit AES in counter mode, with an IV of all
60    0 bytes.
62    For a public-key cipher, we use RSA with 1024-bit keys and a fixed
63    exponent of 65537.  We use OAEP-MGF1 padding, with SHA-1 as its digest
64    function.  We leave optional the "Label" parameter unset. (For OAEP
65    padding, see ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf)
67    [Nick, what does "we leave optional the Label parameter unset" mean? -RD]
69    For Diffie-Hellman, we use a generator (g) of 2.  For the modulus (p), we
70    use the 1024-bit safe prime from rfc2409 section 6.2 whose hex
71    representation is:
73      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
74      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
75      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
76      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
77      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
79    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
80    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
81    than once.
82    [May other implementations reuse their DH keys?? -RD]
83    [Probably not. Conceivably, you could get away with changing DH keys once
84    per second, but there are too many oddball attacks for me to be
85    comfortable that this is safe. -NM]
87    For a hash function, we use SHA-1.
89    KEY_LEN=16.
90    DH_LEN=128; DH_SEC_LEN=40.
91    PK_ENC_LEN=128; PK_PAD_LEN=42.
92    HASH_LEN=20.
94    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA-1 hash of the
95    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
97    All "random" values should be generated with a cryptographically strong
98    random number generator, unless otherwise noted.
100    The "hybrid encryption" of a byte sequence M with a public key PK is
101    computed as follows:
102       1. If M is less than PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN, pad and encrypt M with PK.
103       2. Otherwise, generate a KEY_LEN byte random key K.
104          Let M1 = the first PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes of M,
105          and let M2 = the rest of M.
106          Pad and encrypt K|M1 with PK.  Encrypt M2 with our stream cipher,
107          using the key K.  Concatenate these encrypted values.
108    [XXX Note that this "hybrid encryption" approach does not prevent
109    an attacker from adding or removing bytes to the end of M. It also
110    allows attackers to modify the bytes not covered by the OAEP --
111    see Goldberg's PET2006 paper for details. We will add a MAC to this
112    scheme one day. -RD]
114 0.4. Other parameter values
116    CELL_LEN=512
118 1. System overview
120    Tor is a distributed overlay network designed to anonymize
121    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
122    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
123    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
124    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
125    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
126    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
127    the layers of an onion) and relayed downstream.
129 1.1. Keys and names
131    Every Tor server has multiple public/private keypairs:
133     - A long-term signing-only "Identity key" used to sign documents and
134       certificates, and used to establish server identity.
135     - A medium-term "Onion key" used to decrypt onion skins when accepting
136       circuit extend attempts.  (See 5.1.)  Old keys MUST be accepted for at
137       least one week after they are no longer advertised.  Because of this,
138       servers MUST retain old keys for a while after they're rotated.
139     - A short-term "Connection key" used to negotiate TLS connections.
140       Tor implementations MAY rotate this key as often as they like, and
141       SHOULD rotate this key at least once a day.
143    Tor servers are also identified by "nicknames"; these are specified in
144    dir-spec.txt.
146 2. Connections
148    Connections between two Tor servers, or between a client and a server,
149    use TLS/SSLv3 for link authentication and encryption.  All
150    implementations MUST support the SSLv3 ciphersuite
151    "SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA", and SHOULD support the TLS
152    ciphersuite "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
154    There are three acceptable ways to perform a TLS handshake when
155    connecting to a Tor server: "certificates up-front", "renegotiation", and
156    "backwards-compatible renegotiation".  ("Backwards-compatible
157    renegotiation" is, as the name implies, compatible with both other
158    handshake types.)
160    Before Tor 0.2.0.21, only "certificates up-front" was supported.  In Tor
161    0.2.0.21 or later, "backwards-compatible renegotiation" is used.
163    In "certificates up-front", the connection initiator always sends a
164    two-certificate chain, consisting of an X.509 certificate using a
165    short-term connection public key and a second, self- signed X.509
166    certificate containing its identity key.  The other party sends a similar
167    certificate chain.  The initiator's ClientHello MUST NOT include any
168    ciphersuites other than:
169      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA
170      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
171      SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
172      SSL_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
174    In "renegotiation", the connection initiator sends no certificates, and
175    the responder sends a single connection certificate.  Once the TLS
176    handshake is complete, the initiator renegotiates the handshake, with each
177    parties sending a two-certificate chain as in "certificates up-front".
178    The initiator's ClientHello MUST include at least once ciphersuite not in
179    the list above.  The responder SHOULD NOT select any ciphersuite besides
180    those in the list above.
181      [The above "should not" is because some of the ciphers that
182      clients list may be fake.]
184    In "backwards-compatible renegotiation", the connection initiator's
185    ClientHello MUST include at least one ciphersuite other than those listed
186    above. The connection responder examines the initiator's ciphersuite list
187    to see whether it includes any ciphers other than those included in the
188    list above.  If extra ciphers are included, the responder proceeds as in
189    "renegotiation": it sends a single certificate and does not request
190    client certificates.  Otherwise (in the case that no extra ciphersuites
191    are included in the ClientHello) the responder proceeds as in
192    "certificates up-front": it requests client certificates, and sends a
193    two-certificate chain.  In either case, once the responder has sent its
194    certificate or certificates, the initiator counts them.  If two
195    certificates have been sent, it proceeds as in "certificates up-front";
196    otherwise, it proceeds as in "renegotiation".
198    All new implementations of the Tor server protocol MUST support
199    "backwards-compatible renegotiation"; clients SHOULD do this too.  If
200    this is not possible, new client implementations MUST support both
201    "renegotiation" and "certificates up-front" and use the router's
202    published link protocols list (see dir-spec.txt on the "protocols" entry)
203    to decide which to use.
205    In all of the above handshake variants, certificates sent in the clear
206    SHOULD NOT include any strings to identify the host as a Tor server.  In
207    the "renegotation" and "backwards-compatible renegotiation", the
208    initiator SHOULD chose a list of ciphersuites and TLS extensions chosen
209    to mimic one used by a popular web browser.
211    Responders MUST NOT select any TLS ciphersuite that lacks ephemeral keys,
212    or whose symmetric keys are less then KEY_LEN bits, or whose digests are
213    less than HASH_LEN bits.  Responders SHOULD NOT select any SSLv3
214    ciphersuite other than those listed above.
216    Even though the connection protocol is identical, we will think of the
217    initiator as either an onion router (OR) if it is willing to relay
218    traffic for other Tor users, or an onion proxy (OP) if it only handles
219    local requests. Onion proxies SHOULD NOT provide long-term-trackable
220    identifiers in their handshakes.
222    In all handshake variants, once all certificates are exchanged, all
223    parties receiving certificates must confirm that the identity key is as
224    expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
225    the one given in the directory; when creating a connection because of an
226    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
227    the key is not as expected, the party must close the connection.
229    When connecting to an OR, all parties SHOULD reject the connection if that
230    OR has a malformed or missing certificate.  When accepting an incoming
231    connection, an OR SHOULD NOT reject incoming connections from parties with
232    malformed or missing certificates.  (However, an OR should not believe
233    that an incoming connection is from another OR unless the certificates
234    are present and well-formed.)
236    [Before version 0.1.2.8-rc, ORs rejected incoming connections from ORs and
237    OPs alike if their certificates were missing or malformed.]
239    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
240    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
241    cells are CELL_LEN bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
242    records of any size or divided across TLS records, but the framing
243    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
244    of the cells.
246    TLS connections are not permanent. Either side MAY close a connection
247    if there are no circuits running over it and an amount of time
248    (KeepalivePeriod, defaults to 5 minutes) has passed since the last time
249    any traffic was transmitted over the TLS connection.  Clients SHOULD
250    also hold a TLS connection with no circuits open, if it is likely that a
251    circuit will be built soon using that connection.
253    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
254    the ORs -- though this will be phased out for the Tor 0.1.2.x release.)
256 3. Cell Packet format
258    The basic unit of communication for onion routers and onion
259    proxies is a fixed-width "cell".
261    On a version 1 connection, each cell contains the following
262    fields:
264         CircID                                [2 bytes]
265         Command                               [1 byte]
266         Payload (padded with 0 bytes)         [PAYLOAD_LEN bytes]
268    On a version 2 connection, all cells are as in version 1 connections,
269    except for the initial VERSIONS cell, whose format is:
271         Circuit                               [2 octets; set to 0]
272         Command                               [1 octet; set to 7 for VERSIONS]
273         Length                                [2 octets; big-endian integer]
274         Payload                               [Length bytes]
276    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
277    associated with.
279    The 'Command' field holds one of the following values:
280          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 7.2)
281          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 5.1)
282          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 5.1)
283          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5.5 and 6)
284          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 5.4)
285          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See Sec 5.1)
286          6 -- CREATED_FAST (Circuit created, no PK) (See Sec 5.1)
287          7 -- VERSIONS    (Negotiate proto version) (See Sec 4)
288          8 -- NETINFO     (Time and address info)   (See Sec 4)
290    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
291       PADDING: Payload is unused.
292       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
293       CREATED: Payload contains the handshake response.
294       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
295       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
296                (see 5.4)
297    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
298    drop the cell.  Since more cell types may be added in the future, ORs
299    should generally not warn when encountering unrecognized commands.
301    The payload is padded with 0 bytes.
303    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
304    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
305    cell every few minutes.
307    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
308    see section 5 below.
310    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
311    section 6 below.
313    VERSIONS and NETINFO cells are used to set up connections.  See section 4
314    below.
316 4. Negotiating and initializing connections
318 4.1. Negotiating versions with VERSIONS cells
320    There are multiple instances of the Tor link connection protocol.  Any
321    connection negotiated using the "certificates up front" handshake (see
322    section 2 above) is "version 1".  In any connection where both parties
323    have behaved as in the "renegotiation" handshake, the link protocol
324    version is 2 or higher.
326    To determine the version, in any connection where the "renegotiation"
327    handshake was used (that is, where the server sent only one certificate
328    at first and where the client did not send any certificates until
329    renegotiation), both parties MUST send a VERSIONS cell immediately after
330    the renegotiation is finished, before any other cells are sent.  Parties
331    MUST NOT send any other cells on a connection until they have received a
332    VERSIONS cell.
334    The payload in a VERSIONS cell is a series of big-endian two-byte
335    integers.  Both parties MUST select as the link protocol version the
336    highest number contained both in the VERSIONS cell they sent and in the
337    versions cell they received.  If they have no such version in common,
338    they cannot communicate and MUST close the connection.
340    Since the version 1 link protocol does not use the "renegotiation"
341    handshake, implementations MUST NOT list version 1 in their VERSIONS
342    cell.
344 4.2. NETINFO cells
346    If version 2 or higher is negotiated, each party sends the other a
347    NETINFO cell.  The cell's payload is:
349          Timestamp              [4 bytes]
350          Other OR's address     [variable]
351          Number of addresses    [1 byte]
352          This OR's addresses    [variable]
354    The address format is a type/length/value sequence as given in section
355    6.4 below.  The timestamp is a big-endian unsigned integer number of
356    seconds since the unix epoch.
358    Implementations MAY use the timestamp value to help decide if their
359    clocks are skewed.  Initiators MAY use "other OR's address" to help
360    learn which address their connections are originating from, if they do
361    not know it.  Initiators SHOULD use "this OR's address" to make sure
362    that they have connected to another OR at its canonical address.
364    [As of 0.2.0.23-rc, implementations use none of the above values.]
367 5. Circuit management
369 5.1. CREATE and CREATED cells
371    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
372    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
373    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
374    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
375    of derivative key data (see section 5.2). To extend a circuit past
376    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
377    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
378    to extend the circuit.
380    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
381    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
382    This value is hybrid-encrypted (see 0.3) to Bob's onion key, giving
383    an onion-skin of:
384        PK-encrypted:
385          Padding padding               [PK_PAD_LEN bytes]
386          Symmetric key                 [KEY_LEN bytes]
387          First part of g^x             [PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes]
388        Symmetrically encrypted:
389          Second part of g^x            [DH_LEN-(PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN)
390                                            bytes]
392    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
393          Address                       [4 bytes]
394          Port                          [2 bytes]
395          Onion skin                    [DH_LEN+KEY_LEN+PK_PAD_LEN bytes]
396          Identity fingerprint          [HASH_LEN bytes]
398    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
399    onion router in the circuit; the public key hash is the hash of the PKCS#1
400    ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.  (See 0.3
401    above.)  Including this hash allows the extending OR verify that it is
402    indeed connected to the correct target OR, and prevents certain
403    man-in-the-middle attacks.
405    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
406    EXTENDED cell, contains:
407          DH data (g^y)                 [DH_LEN bytes]
408          Derivative key data (KH)      [HASH_LEN bytes]   <see 5.2 below>
410    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
411    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
412    CircID collisions, when one node sends a CREATE cell to another, it chooses
413    from only one half of the possible values based on the ORs' public
414    identity keys: if the sending node has a lower key, it chooses a CircID with
415    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
417    (An OP with no public key MAY choose any CircID it wishes, since an OP
418    never needs to process a CREATE cell.)
420    Public keys are compared numerically by modulus.
422    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
424 5.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
426    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
427    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
428    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
429    public key operations to create a circuit.  In this case, the
430    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
431    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
432    created.
434    A CREATE_FAST cell contains:
436        Key material (X)    [HASH_LEN bytes]
438    A CREATED_FAST cell contains:
440        Key material (Y)    [HASH_LEN bytes]
441        Derivative key data [HASH_LEN bytes] (See 5.2 below)
443    The values of X and Y must be generated randomly.
445    If an OR sees a circuit created with CREATE_FAST, the OR is sure to be the
446    first hop of a circuit.  ORs SHOULD reject attempts to create streams with
447    RELAY_BEGIN exiting the circuit at the first hop: letting Tor be used as a
448    single hop proxy makes exit nodes a more attractive target for compromise.
450 5.2. Setting circuit keys
452    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
453    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
454    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
455    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
456    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
457    with degenerate keys.  Implementations MUST NOT discard other "weak"
458    g^x values.
460    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys
461    are not discarded, an attacker can substitute the server's CREATED
462    cell's g^y with 0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating
463    the server. Discarding other keys may allow attacks to learn bits of
464    the private key.)
466    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
467    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
468    integer.
470    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
471    K0=X|Y.
473    From the base key material K0, they compute KEY_LEN*2+HASH_LEN*3 bytes of
474    derivative key data as
475        K = H(K0 | [00]) | H(K0 | [01]) | H(K0 | [02]) | ...
477    The first HASH_LEN bytes of K form KH; the next HASH_LEN form the forward
478    digest Df; the next HASH_LEN 41-60 form the backward digest Db; the next
479    KEY_LEN 61-76 form Kf, and the final KEY_LEN form Kb.  Excess bytes from K
480    are discarded.
482    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
483    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
484    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
485    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
486    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
487    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
489 5.3. Creating circuits
491    When creating a circuit through the network, the circuit creator
492    (OP) performs the following steps:
494       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
495          router's exit policy includes at least one pending stream that
496          needs a circuit (if there are any).
498       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
499          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
500          appears in the path twice.
502       3. If not already connected to the first router in the chain,
503          open a new connection to that router.
505       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
506          first router in the chain; send a CREATE cell along the
507          connection, to be received by the first onion router.
509       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
510          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
512       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
513          the circuit to R.
515    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
516    these steps:
518       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public onion key.
520       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
521          the circuit (see section 5).
523       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
524          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
526    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
527    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
528    payload.  As special cases, if the extend cell includes a digest of
529    all zeroes, or asks to extend back to the relay that sent the extend
530    cell, the circuit will fail and be torn down. The initiating onion
531    router chooses some circID not yet used on the connection between the
532    two onion routers.  (But see section 5.1. above, concerning choosing
533    circIDs based on lexicographic order of nicknames.)
535    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
536    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
537    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
538    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
539    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
540    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
541    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
543    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
544    until a break in traffic allows time to do so without harming
545    network latency too greatly.)
547 5.3.1. Canonical connections
549    It is possible for an attacker to launch a man-in-the-middle attack
550    against a connection by telling OR Alice to extend to OR Bob at some
551    address X controlled by the attacker.  The attacker cannot read the
552    encrypted traffic, but the attacker is now in a position to count all
553    bytes sent between Alice and Bob (assuming Alice was not already
554    connected to Bob.)
556    To prevent this, when an OR we gets an extend request, it SHOULD use an
557    existing OR connection if the ID matches, and ANY of the following
558    conditions hold:
559        - The IP matches the requested IP.
560        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
561          because it was listed in the NETINFO cell.
562        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
563          because it was listed in the server descriptor.
565    [This is not implemented in Tor 0.2.0.23-rc.]
567 5.4. Tearing down circuits
569    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
570    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
571    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
572    either completely or hop-by-hop.
574    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
575    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
576    direction's circID.
578    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
579    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
580    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
581    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
582    down any associated edge connections (see section 6.1).
584    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
585    destroy cells for the corresponding circuit.
587    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
588    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
589    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
590    RELAY_TRUNCATED cell.
592    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
593    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
594    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
595    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
596    should send a DESTROY cell down the circuit.
598    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
599    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
600    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
601    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
602    this error code to 0, to avoid leaking its version.
604    The error codes are:
605      0 -- NONE            (No reason given.)
606      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
607      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
608      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
609      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
610      5 -- RESOURCELIMIT   (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
611      6 -- CONNECTFAILED   (Unable to reach server.)
612      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
613                            as expected.)
614      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
615                            died.)
616      9 -- FINISHED        (The circuit has expired for being dirty or old.)
617     10 -- TIMEOUT         (Circuit construction took too long)
618     11 -- DESTROYED       (The circuit was destroyed w/o client TRUNCATE)
619     12 -- NOSUCHSERVICE   (Request for unknown hidden service)
621 5.5. Routing relay cells
623    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
624    determines whether it has a corresponding circuit along that
625    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
627    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
628    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
629    with the stream cipher, as follows:
630         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
631             Use Kf as key; decrypt.
632         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
633             Use Kb as key; encrypt.
634    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
636    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
637    inspecting the payload as described in section 6.1 below.  If the OR
638    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
639    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
640    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
641    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
642    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
644    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
645    with the stream cipher as follows:
646          OP receives data cell:
647             For I=N...1,
648                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
649                 section 6..1), then stop and process the payload.
651    For more information, see section 6 below.
653 6. Application connections and stream management
655 6.1. Relay cells
657    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
658    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
659    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
660    by either edge; streams are initiated by the OP.
662    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
663          Relay command           [1 byte]
664          'Recognized'            [2 bytes]
665          StreamID                [2 bytes]
666          Digest                  [4 bytes]
667          Length                  [2 bytes]
668          Data                    [CELL_LEN-14 bytes]
670    The relay commands are:
671          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
672          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
673          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
674          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
675          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward] [sometimes control]
676          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]             [control]
677          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]            [control]
678          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]             [control]
679          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]            [control]
680         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward] [control]
681         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
682         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
683         13 -- RELAY_BEGIN_DIR [forward]
685         32..40 -- Used for hidden services; see rend-spec.txt.
687    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
688    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
689    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
690    as either can be sent either by the originator or other nodes.
692    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
693    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
694    the running digest of all the bytes that have been destined for
695    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
696    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 5.2 above),
697    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
698    field set to zero).
700    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
701    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
702    decryption (see section 5.5 above).
704    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
705    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
706    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
707    digest does not match, the running digest at that node should
708    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
710    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
711    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
712    cells that affect the entire circuit rather than a particular
713    stream use a StreamID of zero -- they are marked in the table above
714    as "[control]" style cells. (Sendme cells are marked as "sometimes
715    control" because they can take include a StreamID or not depending
716    on their purpose -- see Section 7.)
718    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
719    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
720    the payload is padded with NUL bytes.
722    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
723    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
724    still count with respect to the digests, though.
726 6.2. Opening streams and transferring data
728    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
729    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
730    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
731    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
732    and port of the destination host.  The payload format is:
734          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
736    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
737    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
738    and where PORT is a decimal integer between 1 and 65535, inclusive.
740    [What is the [00] for? -NM]
741    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
743    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
744    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
745    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
746    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 6.4 below.)
747    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
748    payload is in one of the following formats:
749        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
750        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
751     or
752        Four zero-valued octets [4 octets]
753        An address type (6)     [1 octet]
754        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
755        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
756    [XXXX No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
758    [Tor servers before 0.1.2.0 set the TTL field to a fixed value.  Later
759    versions set the TTL to the last value seen from a DNS server, and expire
760    their own cached entries after a fixed interval.  This prevents certain
761    attacks.]
763    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
764    Once a connection has been established, the OP and exit node
765    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
766    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
767    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
769    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
770    a cell, the OR or OP must drop it.
772 6.2.1. Opening a directory stream
774    If a Tor server is a directory server, it should respond to a
775    RELAY_BEGIN_DIR cell as if it had received a BEGIN cell requesting a
776    connection to its directory port.  RELAY_BEGIN_DIR cells ignore exit
777    policy, since the stream is local to the Tor process.
779    If the Tor server is not running a directory service, it should respond
780    with a REASON_NOTDIRECTORY RELAY_END cell.
782    Clients MUST generate an all-zero payload for RELAY_BEGIN_DIR cells,
783    and servers MUST ignore the payload.
785    [RELAY_BEGIN_DIR was not supported before Tor 0.1.2.2-alpha; clients
786    SHOULD NOT send it to routers running earlier versions of Tor.]
788 6.3. Closing streams
790    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
791    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
792    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
793    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
794    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
795    circuit for that stream.
797    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
798    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
799    the reason.)  The values are:
801        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
802        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
803        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
804        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
805        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
806        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
807        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
808                                    while connecting)
809        8 -- (unallocated) [**]
810        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
811       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
812       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
813       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
814       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
815                                    Tor protocol violations.)
816       14 -- REASON_NOTDIRECTORY   (Client sent RELAY_BEGIN_DIR to a
817                                    non-directory server.)
819    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
820    forms the optional data, along with a 4-byte TTL; no other reason
821    currently has extra data.)
823    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
824    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
826    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
827        reset.
828    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
829         remain allocated until that version is obsolete.
831    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
833    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
834    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
836    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
837    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
838    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
839    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
840    onion router.
842    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
843    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
844    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
845    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
846    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
847    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
849    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
850    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
851    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
852    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
853    'CLOSED'.
855    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
856    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
858 6.4. Remote hostname lookup
860    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
861    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved with a nul
862    terminating byte. (For a reverse lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE
863    cell containing an in-addr.arpa address.) The OR replies with a
864    RELAY_RESOLVED cell containing a status byte, and any number of
865    answers. Each answer is of the form:
866        Type   (1 octet)
867        Length (1 octet)
868        Value  (variable-width)
869        TTL    (4 octets)
870    "Length" is the length of the Value field.
871    "Type" is one of:
872       0x00 -- Hostname
873       0x04 -- IPv4 address
874       0x06 -- IPv6 address
875       0xF0 -- Error, transient
876       0xF1 -- Error, nontransient
878     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
880     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
881     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
882     is actually created by the OR when resolving the name.
884 7. Flow control
886 7.1. Link throttling
888    Each node should do appropriate bandwidth throttling to keep its
889    user happy.
891    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
892    stop reading.
894 7.2. Link padding
896    Link padding can be created by sending PADDING cells along the
897    connection; relay cells of type "DROP" can be used for long-range
898    padding.
900    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
901    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
902    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
903    for running a node, we plan to leave out link padding until this
904    tradeoff is better understood.
906 7.3. Circuit-level flow control
908    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of two
909    'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is allowed to
910    originate (package for transmission), and how many RELAY_DATA cells
911    it is willing to consume (receive for local streams).  These limits
912    do not apply to cells that the OR receives from one host and relays
913    to another.
915    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
916    in each direction (cells that are not data cells do not affect
917    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
918    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
919    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
920    packaging window.
922    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
924    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
925    window and a delivery window for every OR in the circuit.
927    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
928    corresponding window value falls under some threshold (900).
930    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
931    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
932    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
933 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
935 7.4. Stream-level flow control
937    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
938    control for individual connections across circuits. Similarly to
939    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
940    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
941    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
942    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
943    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
946 A.1. Differences between spec and implementation
948 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
949   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
950   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
951   support at all.