Implement proposal 167: Authorities vote on network parameters.
[torspec/neena.git] / path-spec.txt
blob78f3b63bcbfebd11402069c9741204a2debc1a6b
2                            Tor Path Specification
4                               Roger Dingledine
5                                Nick Mathewson
7 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
8 versions of Tor will implement improved algorithms.
10 This document tries to cover how Tor chooses to build circuits and assign
11 streams to circuits.  Other implementations MAY take other approaches, but
12 implementors should be aware of the anonymity and load-balancing implications
13 of their choices.
15                     THIS SPEC ISN'T DONE YET.
17 1. General operation
19    Tor begins building circuits as soon as it has enough directory
20    information to do so (see section 5 of dir-spec.txt).  Some circuits are
21    built preemptively because we expect to need them later (for user
22    traffic), and some are built because of immediate need (for user traffic
23    that no current circuit can handle, for testing the network or our
24    reachability, and so on).
26    When a client application creates a new stream (by opening a SOCKS
27    connection or launching a resolve request), we attach it to an appropriate
28    open circuit if one exists, or wait if an appropriate circuit is
29    in-progress. We launch a new circuit only
30    if no current circuit can handle the request.  We rotate circuits over
31    time to avoid some profiling attacks.
33    To build a circuit, we choose all the nodes we want to use, and then
34    construct the circuit.  Sometimes, when we want a circuit that ends at a
35    given hop, and we have an appropriate unused circuit, we "cannibalize" the
36    existing circuit and extend it to the new terminus.
38    These processes are described in more detail below.
40    This document describes Tor's automatic path selection logic only; path
41    selection can be overridden by a controller (with the EXTENDCIRCUIT and
42    ATTACHSTREAM commands).  Paths constructed through these means may
43    violate some constraints given below.
45 1.1. Terminology
47    A "path" is an ordered sequence of nodes, not yet built as a circuit.
49    A "clean" circuit is one that has not yet been used for any traffic.
51    A "fast" or "stable" or "valid" node is one that has the 'Fast' or
52    'Stable' or 'Valid' flag
53    set respectively, based on our current directory information.  A "fast"
54    or "stable" circuit is one consisting only of "fast" or "stable" nodes.
56    In an "exit" circuit, the final node is chosen based on waiting stream
57    requests if any, and in any case it avoids nodes with exit policy of
58    "reject *:*". An "internal" circuit, on the other hand, is one where
59    the final node is chosen just like a middle node (ignoring its exit
60    policy).
62    A "request" is a client-side stream or DNS resolve that needs to be
63    served by a circuit.
65    A "pending" circuit is one that we have started to build, but which has
66    not yet completed.
68    A circuit or path "supports" a request if it is okay to use the
69    circuit/path to fulfill the request, according to the rules given below.
70    A circuit or path "might support" a request if some aspect of the request
71    is unknown (usually its target IP), but we believe the path probably
72    supports the request according to the rules given below.
74 1.1. A server's bandwidth
76    Old versions of Tor did not report bandwidths in network status
77    documents, so clients had to learn them from the routers' advertised
78    server descriptors.
80    For versions of Tor prior to 0.2.1.17-rc, everywhere below where we
81    refer to a server's "bandwidth", we mean its clipped advertised
82    bandwidth, computed by taking the smaller of the 'rate' and
83    'observed' arguments to the "bandwidth" element in the server's
84    descriptor.  If a router's advertised bandwidth is greater than
85    MAX_BELIEVABLE_BANDWIDTH (currently 10 MB/s), we clipped to that
86    value.
88    For more recent versions of Tor, we take the bandwidth value declared
89    in the consensus, and fall back to the clipped advertised bandwidth
90    only if the consensus does not have bandwidths listed.
92 2. Building circuits
94 2.1. When we build
96 2.1.1. Clients build circuits preemptively
98    When running as a client, Tor tries to maintain at least a certain
99    number of clean circuits, so that new streams can be handled
100    quickly.  To increase the likelihood of success, Tor tries to
101    predict what circuits will be useful by choosing from among nodes
102    that support the ports we have used in the recent past (by default
103    one hour). Specifically, on startup Tor tries to maintain one clean
104    fast exit circuit that allows connections to port 80, and at least
105    two fast clean stable internal circuits in case we get a resolve
106    request or hidden service request (at least three if we _run_ a
107    hidden service).
109    After that, Tor will adapt the circuits that it preemptively builds
110    based on the requests it sees from the user: it tries to have two fast
111    clean exit circuits available for every port seen within the past hour
112    (each circuit can be adequate for many predicted ports -- it doesn't
113    need two separate circuits for each port), and it tries to have the
114    above internal circuits available if we've seen resolves or hidden
115    service activity within the past hour. If there are 12 or more clean
116    circuits open, it doesn't open more even if it has more predictions.
118    Only stable circuits can "cover" a port that is listed in the
119    LongLivedPorts config option. Similarly, hidden service requests
120    to ports listed in LongLivedPorts make us create stable internal
121    circuits.
123    Note that if there are no requests from the user for an hour, Tor
124    will predict no use and build no preemptive circuits.
126    The Tor client SHOULD NOT store its list of predicted requests to a
127    persistent medium.
129 2.1.2. Clients build circuits on demand
131    Additionally, when a client request exists that no circuit (built or
132    pending) might support, we create a new circuit to support the request.
133    For exit connections, we pick an exit node that will handle the
134    most pending requests (choosing arbitrarily among ties), launch a
135    circuit to end there, and repeat until every unattached request
136    might be supported by a pending or built circuit. For internal
137    circuits, we pick an arbitrary acceptable path, repeating as needed.
139    In some cases we can reuse an already established circuit if it's
140    clean; see Section 2.3 (cannibalizing circuits) for details.
142 2.1.3. Servers build circuits for testing reachability and bandwidth
144    Tor servers test reachability of their ORPort once they have
145    successfully built a circuit (on start and whenever their IP address
146    changes). They build an ordinary fast internal circuit with themselves
147    as the last hop. As soon as any testing circuit succeeds, the Tor
148    server decides it's reachable and is willing to publish a descriptor.
150    We launch multiple testing circuits (one at a time), until we
151    have NUM_PARALLEL_TESTING_CIRC (4) such circuits open. Then we
152    do a "bandwidth test" by sending a certain number of relay drop
153    cells down each circuit: BandwidthRate * 10 / CELL_NETWORK_SIZE
154    total cells divided across the four circuits, but never more than
155    CIRCWINDOW_START (1000) cells total. This exercises both outgoing and
156    incoming bandwidth, and helps to jumpstart the observed bandwidth
157    (see dir-spec.txt).
159    Tor servers also test reachability of their DirPort once they have
160    established a circuit, but they use an ordinary exit circuit for
161    this purpose.
163 2.1.4. Hidden-service circuits
165    See section 4 below.
167 2.1.5. Rate limiting of failed circuits
169    If we fail to build a circuit N times in a X second period (see Section
170    2.3 for how this works), we stop building circuits until the X seconds
171    have elapsed.
172    XXXX
174 2.1.6. When to tear down circuits
176    XXXX
178 2.2. Path selection and constraints
180    We choose the path for each new circuit before we build it.  We choose the
181    exit node first, followed by the other nodes in the circuit.  All paths
182    we generate obey the following constraints:
183      - We do not choose the same router twice for the same path.
184      - We do not choose any router in the same family as another in the same
185        path.
186      - We do not choose more than one router in a given /16 subnet
187        (unless EnforceDistinctSubnets is 0).
188      - We don't choose any non-running or non-valid router unless we have
189        been configured to do so. By default, we are configured to allow
190        non-valid routers in "middle" and "rendezvous" positions.
191      - If we're using Guard nodes, the first node must be a Guard (see 5
192        below)
193      - XXXX Choosing the length
195    For circuits that do not need to be "fast", when choosing among
196    multiple candidates for a path element, we choose randomly.
198    For "fast" circuits, we pick a given router as an exit with probability
199    proportional to its bandwidth.
201    For non-exit positions on "fast" circuits, we pick routers as above, but
202    we weight the bandwidth of Exit-flagged nodes depending
203    on the fraction of bandwidth available from non-Exit nodes.  Call the
204    total bandwidth for Exit nodes under consideration E,
205    and the total bandwidth for all nodes under
206    consideration T.  If E<T/3, we do not consider Exit-flagged nodes.
207    Otherwise, we weight their bandwidth with the factor (E-T/3)/E. This 
208    ensures that bandwidth is evenly distributed over nodes in 3-hop paths.
210    Similarly, guard nodes are weighted by the factor (G-T/3)/G, and not
211    considered for non-guard positions if this value is less than 0.
213    Additionally, we may be building circuits with one or more requests in
214    mind.  Each kind of request puts certain constraints on paths:
216      - All service-side introduction circuits and all rendezvous paths
217        should be Stable.
218      - All connection requests for connections that we think will need to
219        stay open a long time require Stable circuits.  Currently, Tor decides
220        this by examining the request's target port, and comparing it to a
221        list of "long-lived" ports. (Default: 21, 22, 706, 1863, 5050,
222        5190, 5222, 5223, 6667, 6697, 8300.)
223      - DNS resolves require an exit node whose exit policy is not equivalent
224        to "reject *:*".
225      - Reverse DNS resolves require a version of Tor with advertised eventdns
226        support (available in Tor 0.1.2.1-alpha-dev and later).
227      - All connection requests require an exit node whose exit policy
228        supports their target address and port (if known), or which "might
229        support it" (if the address isn't known).  See 2.2.1.
230      - Rules for Fast? XXXXX
232 2.2.1. Choosing an exit
234    If we know what IP address we want to connect to or resolve, we can
235    trivially tell whether a given router will support it by simulating
236    its declared exit policy.
238    Because we often connect to addresses of the form hostname:port, we do not
239    always know the target IP address when we select an exit node.  In these
240    cases, we need to pick an exit node that "might support" connections to a
241    given address port with an unknown address.  An exit node "might support"
242    such a connection if any clause that accepts any connections to that port
243    precedes all clauses (if any) that reject all connections to that port.
245    Unless requested to do so by the user, we never choose an exit server
246    flagged as "BadExit" by more than half of the authorities who advertise
247    themselves as listing bad exits.
249 2.2.2. User configuration
251    Users can alter the default behavior for path selection with configuration
252    options.
254    - If "ExitNodes" is provided, then every request requires an exit node on
255      the ExitNodes list.  (If a request is supported by no nodes on that list,
256      and StrictExitNodes is false, then Tor treats that request as if
257      ExitNodes were not provided.)
259    - "EntryNodes" and "StrictEntryNodes" behave analogously.
261    - If a user tries to connect to or resolve a hostname of the form
262      <target>.<servername>.exit, the request is rewritten to a request for
263      <target>, and the request is only supported by the exit whose nickname
264      or fingerprint is <servername>.
266 2.3. Cannibalizing circuits
268    If we need a circuit and have a clean one already established, in
269    some cases we can adapt the clean circuit for our new
270    purpose. Specifically,
272    For hidden service interactions, we can "cannibalize" a clean internal
273    circuit if one is available, so we don't need to build those circuits
274    from scratch on demand.
276    We can also cannibalize clean circuits when the client asks to exit
277    at a given node -- either via the ".exit" notation or because the
278    destination is running at the same location as an exit node.
281 2.4. Handling failure
283    If an attempt to extend a circuit fails (either because the first create
284    failed or a subsequent extend failed) then the circuit is torn down and is
285    no longer pending.  (XXXX really?)  Requests that might have been
286    supported by the pending circuit thus become unsupported, and a new
287    circuit needs to be constructed.
289    If a stream "begin" attempt fails with an EXITPOLICY error, we
290    decide that the exit node's exit policy is not correctly advertised,
291    so we treat the exit node as if it were a non-exit until we retrieve
292    a fresh descriptor for it.
294    XXXX
296 3. Attaching streams to circuits
298    When a circuit that might support a request is built, Tor tries to attach
299    the request's stream to the circuit and sends a BEGIN, BEGIN_DIR,
300    or RESOLVE relay
301    cell as appropriate.  If the request completes unsuccessfully, Tor
302    considers the reason given in the CLOSE relay cell. [XXX yes, and?]
305    After a request has remained unattached for SocksTimeout (2 minutes
306    by default), Tor abandons the attempt and signals an error to the
307    client as appropriate (e.g., by closing the SOCKS connection).
309    XXX Timeouts and when Tor auto-retries.
310     * What stream-end-reasons are appropriate for retrying.
312    If no reply to BEGIN/RESOLVE, then the stream will timeout and fail.
314 4. Hidden-service related circuits
316   XXX Tracking expected hidden service use (client-side and hidserv-side)
318 5. Guard nodes
320   We use Guard nodes (also called "helper nodes" in the literature) to
321   prevent certain profiling attacks.  Here's the risk: if we choose entry and
322   exit nodes at random, and an attacker controls C out of N servers
323   (ignoring bandwidth), then the
324   attacker will control the entry and exit node of any given circuit with
325   probability (C/N)^2.  But as we make many different circuits over time,
326   then the probability that the attacker will see a sample of about (C/N)^2
327   of our traffic goes to 1.  Since statistical sampling works, the attacker
328   can be sure of learning a profile of our behavior.
330   If, on the other hand, we picked an entry node and held it fixed, we would
331   have probability C/N of choosing a bad entry and being profiled, and
332   probability (N-C)/N of choosing a good entry and not being profiled.
334   When guard nodes are enabled, Tor maintains an ordered list of entry nodes
335   as our chosen guards, and stores this list persistently to disk.  If a Guard
336   node becomes unusable, rather than replacing it, Tor adds new guards to the
337   end of the list.  When choosing the first hop of a circuit, Tor
338   chooses at
339   random from among the first NumEntryGuards (default 3) usable guards on the
340   list.  If there are not at least 2 usable guards on the list, Tor adds
341   routers until there are, or until there are no more usable routers to add.
343   A guard is unusable if any of the following hold:
344     - it is not marked as a Guard by the networkstatuses,
345     - it is not marked Valid (and the user hasn't set AllowInvalid entry)
346     - it is not marked Running
347     - Tor couldn't reach it the last time it tried to connect
349   A guard is unusable for a particular circuit if any of the rules for path
350   selection in 2.2 are not met.  In particular, if the circuit is "fast"
351   and the guard is not Fast, or if the circuit is "stable" and the guard is
352   not Stable, or if the guard has already been chosen as the exit node in
353   that circuit, Tor can't use it as a guard node for that circuit.
355   If the guard is excluded because of its status in the networkstatuses for
356   over 30 days, Tor removes it from the list entirely, preserving order.
358   If Tor fails to connect to an otherwise usable guard, it retries
359   periodically: every hour for six hours, every 4 hours for 3 days, every
360   18 hours for a week, and every 36 hours thereafter.  Additionally, Tor
361   retries unreachable guards the first time it adds a new guard to the list,
362   since it is possible that the old guards were only marked as unreachable
363   because the network was unreachable or down.
365   Tor does not add a guard persistently to the list until the first time we
366   have connected to it successfully.
368 6. Router descriptor purposes
370   There are currently three "purposes" supported for router descriptors:
371   general, controller, and bridge. Most descriptors are of type general
372   -- these are the ones listed in the consensus, and the ones fetched
373   and used in normal cases.
375   Controller-purpose descriptors are those delivered by the controller
376   and labelled as such: they will be kept around (and expire like
377   normal descriptors), and they can be used by the controller in its
378   CIRCUITEXTEND commands. Otherwise they are ignored by Tor when it
379   chooses paths.
381   Bridge-purpose descriptors are for routers that are used as bridges. See
382   doc/design-paper/blocking.pdf for more design explanation, or proposal
383   125 for specific details. Currently bridge descriptors are used in place
384   of normal entry guards, for Tor clients that have UseBridges enabled.
387 X. Old notes
389 X.1. Do we actually do this?
391 How to deal with network down.
392   - While all helpers are down/unreachable and there are no established
393     or on-the-way testing circuits, launch a testing circuit. (Do this
394     periodically in the same way we try to establish normal circuits
395     when things are working normally.)
396     (Testing circuits are a special type of circuit, that streams won't
397     attach to by accident.)
398   - When a testing circuit succeeds, mark all helpers up and hold
399     the testing circuit open.
400   - If a connection to a helper succeeds, close all testing circuits.
401     Else mark that helper down and try another.
402   - If the last helper is marked down and we already have a testing
403     circuit established, then add the first hop of that testing circuit
404     to the end of our helper node list, close that testing circuit,
405     and go back to square one. (Actually, rather than closing the
406     testing circuit, can we get away with converting it to a normal
407     circuit and beginning to use it immediately?)
409   [Do we actually do any of the above?  If so, let's spec it.  If not, let's
410   remove it. -NM]
412 X.2. A thing we could do to deal with reachability.
414 And as a bonus, it leads to an answer to Nick's attack ("If I pick
415 my helper nodes all on 18.0.0.0:*, then I move, you'll know where I
416 bootstrapped") -- the answer is to pick your original three helper nodes
417 without regard for reachability. Then the above algorithm will add some
418 more that are reachable for you, and if you move somewhere, it's more
419 likely (though not certain) that some of the originals will become useful.
420 Is that smart or just complex?
422 X.3. Some stuff that worries me about entry guards. 2006 Jun, Nickm.
424   It is unlikely for two users to have the same set of entry guards.
425   Observing a user is sufficient to learn its entry guards.  So, as we move
426   around, entry guards make us linkable.  If we want to change guards when
427   our location (IP? subnet?) changes, we have two bad options.  We could
428     - Drop the old guards.  But if we go back to our old location,
429       we'll not use our old guards.  For a laptop that sometimes gets used
430       from work and sometimes from home, this is pretty fatal.
431     - Remember the old guards as associated with the old location, and use
432       them again if we ever go back to the old location.  This would be
433       nasty, since it would force us to record where we've been.
435   [Do we do any of this now? If not, this should move into 099-misc or
436   098-todo. -NM]