proposals/130-v2-conn-protocol.txt

   1 Filename: 130-v2-conn-protocol.txt
   2 Title: Version 2 Tor connection protocol
   3 Author: Nick Mathewson
   4 Created: 2007-10-25
   5 Status: Closed
   6 Implemented-In: 0.2.0.x
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   8 Overview:
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  10   This proposal describes the significant changes to be made in the v2
  11   Tor connection protocol.
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  13   This proposal relates to other proposals as follows:
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  15     It refers to and supersedes:
  16        Proposal 124: Blocking resistant TLS certificate usage
  17     It refers to aspects of:
  18        Proposal 105: Version negotiation for the Tor protocol
  19
  20
  21   In summary, The Tor connection protocol has been in need of a redesign
  22   for a while.  This proposal describes how we can add to the Tor
  23   protocol:
  24
  25      - A new TLS handshake (to achieve blocking resistance without
  26        breaking backward compatibility)
  27      - Version negotiation (so that future connection protocol changes
  28        can happen without breaking compatibility)
  29      - The actual changes in the v2 Tor connection protocol.
  30
  31 Motivation:
  32
  33   For motivation, see proposal 124.
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  35 Proposal:
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  37 0. Terminology
  38
  39   The version of the Tor connection protocol implemented up to now is
  40   "version 1".  This proposal describes "version 2".
  41
  42   "Old" or "Older" versions of Tor are ones not aware that version 2
  43   of this protocol exists;
  44   "New" or "Newer" versions are ones that are.
  45
  46   The connection initiator is referred to below as the Client; the
  47   connection responder is referred to below as the Server.
  48
  49 1. The revised TLS handshake.
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  51   For motivation, see proposal 124.  This is a simplified version of the
  52   handshake that uses TLS's renegotiation capability in order to avoid
  53   some of the extraneous steps in proposal 124.
  54
  55   The Client connects to the Server and, as in ordinary TLS, sends a
  56   list of ciphers.  Older versions of Tor will send only ciphers from
  57   the list:
  58     TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA
  59     TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
  60     SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
  61     SSL_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
  62   Clients that support the revised handshake will send the recommended
  63   list of ciphers from proposal 124, in order to emulate the behavior of
  64   a web browser.
  65
  66   If the server notices that the list of ciphers contains only ciphers
  67   from this list, it proceeds with Tor's version 1 TLS handshake as
  68   documented in tor-spec.txt.
  69
  70   (The server may also notice cipher lists used by other implementations
  71   of the Tor protocol (in particular, the BouncyCastle default cipher
  72   list as used by some Java-based implementations), and whitelist them.)
  73
  74   On the other hand, if the server sees a list of ciphers that could not
  75   have been sent from an older implementation (because it includes other
  76   ciphers, and does not match any known-old list), the server sends a
  77   reply containing a single connection certificate, constructed as for
  78   the link certificate in the v1 Tor protocol.  The subject names in
  79   this certificate SHOULD NOT have any strings to identify them as
  80   coming from a Tor server.  The server does not ask the client for
  81   certificates.
  82
  83   Old Servers will (mostly) ignore the cipher list and respond as in the v1
  84   protocol, sending back a two-certificate chain.
  85
  86   After the Client gets a response from the server, it checks for the
  87   number of certificates it received.  If there are two certificates,
  88   the client assumes a V1 connection and proceeds as in tor-spec.txt.
  89   But if there is only one certificate, the client assumes a V2 or later
  90   protocol and continues.
  91
  92   At this point, the client has established a TLS connection with the
  93   server, but the parties have not been authenticated: the server hasn't
  94   sent its identity certificate, and the client hasn't sent any
  95   certificates at all.  To fix this, the client begins a TLS session
  96   renegotiation.  This time, the server continues with two certificates
  97   as usual, and asks for certificates so that the client will send
  98   certificates of its own.  Because the TLS connection has been
  99   established, all of this is encrypted.  (The certificate sent by the
 100   server in the renegotiated connection need not be the same that
 101   as sentin the original connection.)
 102
 103   The server MUST NOT write any data until the client has renegotiated.
 104
 105   Once the renegotiation is finished, the server and client check one
 106   another's certificates as in V1.  Now they are mutually authenticated.
 107
 108 1.1. Revised TLS handshake: implementation notes.
 109
 110   It isn't so easy to adjust server behavior based on the client's
 111   ciphersuite list.  Here's how we can do it using OpenSSL.  This is a
 112   bit of an abuse of the OpenSSL APIs, but it's the best we can do, and
 113   we won't have to do it forever.
 114
 115   We can use OpenSSL's SSL_set_info_callback() to register a function to
 116   be called when the state changes.  The type/state tuple of
 117      SSL_CB_ACCEPT_LOOP/SSL3_ST_SW_SRVR_HELLO_A
 118   happens when we have completely parsed the client hello, and are about
 119   to send a response.  From this callback, we can check the cipherlist
 120   and act accordingly:
 121
 122      * If the ciphersuite list indicates a v1 protocol, we set the
 123        verify mode to SSL_VERIFY_NONE with a callback (so we get
 124        certificates).
 125
 126      * If the ciphersuite list indicates a v2 protocol, we set the
 127        verify mode to SSL_VERIFY_NONE with no callback (so we get
 128        no certificates) and set the SSL_MODE_NO_AUTO_CHAIN flag (so that
 129        we send only 1 certificate in the response.
 130
 131   Once the handshake is done, the server clears the
 132   SSL_MODE_NO_AUTO_CHAIN flag and sets the callback as for the V1
 133   protocol.  It then starts reading.
 134
 135   The other problem to take care of is missing ciphers and OpenSSL's
 136   cipher sorting algorithms. The two main issues are a) OpenSSL doesn't
 137   support some of the default ciphers that Firefox advertises, and b)
 138   OpenSSL sorts the list of ciphers it offers in a different way than
 139   Firefox sorts them, so unless we fix that Tor will still look different
 140   than Firefox.
 141   [XXXX more on this.]
 142
 143
 144 1.2. Compatibility for clients using libraries less hackable than OpenSSL.
 145
 146   As discussed in proposal 105, servers advertise which protocol
 147   versions they support in their router descriptors.  Clients can simply
 148   behave as v1 clients when connecting to servers that do not support
 149   link version 2 or higher, and as v2 clients when connecting to servers
 150   that do support link version 2 or higher.
 151
 152   (Servers can't use this strategy because we do not assume that servers
 153   know one another's capabilities when connecting.)
 154
 155 2. Version negotiation.
 156
 157   Version negotiation proceeds as described in proposal 105, except as
 158   follows:
 159
 160    * Version negotiation only happens if the TLS handshake as described
 161      above completes.
 162
 163    * The TLS renegotiation must be finished before the client sends a
 164      VERSIONS cell; the server sends its VERSIONS cell in response.
 165
 166    * The VERSIONS cell uses the following variable-width format:
 167          Circuit  [2 octets; set to 0]
 168          Command  [1 octet; set to 7 for VERSIONS]
 169          Length   [2 octets; big-endian]
 170          Data     [Length bytes]
 171
 172      The Data in the cell is a series of big-endian two-byte integers.
 173
 174    * It is not allowed to negotiate V1 conections once the v2 protocol
 175      has been used.  If this happens, Tor instances should close the
 176      connection.
 177
 178 3. The rest of the "v2" protocol
 179
 180    Once a v2 protocol has been negotiated, NETINFO cells are exchanged
 181    as in proposal 105, and communications begin as per tor-spec.txt.
 182    Until NETINFO cells have been exchanged, the connection is not open.
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