Update spec with new right-censored pareto estimators.
[torspec/neena.git] / tor-spec.txt
blobe94ac7faaa31e237fa6b0d94e179bd47886af951
2                          Tor Protocol Specification
4                               Roger Dingledine
5                                Nick Mathewson
7 Note: This document aims to specify Tor as implemented in 0.2.1.x.  Future
8 versions of Tor may implement improved protocols, and compatibility is not
9 guaranteed.  Compatibility notes are given for versions 0.1.1.15-rc and
10 later; earlier versions are not compatible with the Tor network as of this
11 writing.
13 This specification is not a design document; most design criteria
14 are not examined.  For more information on why Tor acts as it does,
15 see tor-design.pdf.
17 0. Preliminaries
19 0.1.  Notation and encoding
21    PK -- a public key.
22    SK -- a private key.
23    K  -- a key for a symmetric cipher.
25    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
27    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
28    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
30    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
32    H(m) -- a cryptographic hash of m.
34 0.2. Security parameters
36    Tor uses a stream cipher, a public-key cipher, the Diffie-Hellman
37    protocol, and a hash function.
39    KEY_LEN -- the length of the stream cipher's key, in bytes.
41    PK_ENC_LEN -- the length of a public-key encrypted message, in bytes.
42    PK_PAD_LEN -- the number of bytes added in padding for public-key
43      encryption, in bytes. (The largest number of bytes that can be encrypted
44      in a single public-key operation is therefore PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN.)
46    DH_LEN -- the number of bytes used to represent a member of the
47      Diffie-Hellman group.
48    DH_SEC_LEN -- the number of bytes used in a Diffie-Hellman private key (x).
50    HASH_LEN -- the length of the hash function's output, in bytes.
52    PAYLOAD_LEN -- The longest allowable cell payload, in bytes. (509)
54    CELL_LEN -- The length of a Tor cell, in bytes.
56 0.3. Ciphers
58    For a stream cipher, we use 128-bit AES in counter mode, with an IV of all
59    0 bytes.
61    For a public-key cipher, we use RSA with 1024-bit keys and a fixed
62    exponent of 65537.  We use OAEP-MGF1 padding, with SHA-1 as its digest
63    function.  We leave the optional "Label" parameter unset. (For OAEP
64    padding, see ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf)
66    For Diffie-Hellman, we use a generator (g) of 2.  For the modulus (p), we
67    use the 1024-bit safe prime from rfc2409 section 6.2 whose hex
68    representation is:
70      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
71      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
72      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
73      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
74      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
76    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
77    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
78    than once.
79    [May other implementations reuse their DH keys?? -RD]
80    [Probably not. Conceivably, you could get away with changing DH keys once
81    per second, but there are too many oddball attacks for me to be
82    comfortable that this is safe. -NM]
84    For a hash function, we use SHA-1.
86    KEY_LEN=16.
87    DH_LEN=128; DH_SEC_LEN=40.
88    PK_ENC_LEN=128; PK_PAD_LEN=42.
89    HASH_LEN=20.
91    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA-1 hash of the
92    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
94    All "random" values should be generated with a cryptographically strong
95    random number generator, unless otherwise noted.
97    The "hybrid encryption" of a byte sequence M with a public key PK is
98    computed as follows:
99       1. If M is less than PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN, pad and encrypt M with PK.
100       2. Otherwise, generate a KEY_LEN byte random key K.
101          Let M1 = the first PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes of M,
102          and let M2 = the rest of M.
103          Pad and encrypt K|M1 with PK.  Encrypt M2 with our stream cipher,
104          using the key K.  Concatenate these encrypted values.
105    [XXX Note that this "hybrid encryption" approach does not prevent
106    an attacker from adding or removing bytes to the end of M. It also
107    allows attackers to modify the bytes not covered by the OAEP --
108    see Goldberg's PET2006 paper for details. We will add a MAC to this
109    scheme one day. -RD]
111 0.4. Other parameter values
113    CELL_LEN=512
115 1. System overview
117    Tor is a distributed overlay network designed to anonymize
118    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
119    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
120    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
121    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
122    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
123    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
124    the layers of an onion) and relayed downstream.
126 1.1. Keys and names
128    Every Tor server has multiple public/private keypairs:
130     - A long-term signing-only "Identity key" used to sign documents and
131       certificates, and used to establish server identity.
132     - A medium-term "Onion key" used to decrypt onion skins when accepting
133       circuit extend attempts.  (See 5.1.)  Old keys MUST be accepted for at
134       least one week after they are no longer advertised.  Because of this,
135       servers MUST retain old keys for a while after they're rotated.
136     - A short-term "Connection key" used to negotiate TLS connections.
137       Tor implementations MAY rotate this key as often as they like, and
138       SHOULD rotate this key at least once a day.
140    Tor servers are also identified by "nicknames"; these are specified in
141    dir-spec.txt.
143 2. Connections
145    Connections between two Tor servers, or between a client and a server,
146    use TLS/SSLv3 for link authentication and encryption.  All
147    implementations MUST support the SSLv3 ciphersuite
148    "SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA", and SHOULD support the TLS
149    ciphersuite "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
151    There are three acceptable ways to perform a TLS handshake when
152    connecting to a Tor server: "certificates up-front", "renegotiation", and
153    "backwards-compatible renegotiation".  ("Backwards-compatible
154    renegotiation" is, as the name implies, compatible with both other
155    handshake types.)
157    Before Tor 0.2.0.21, only "certificates up-front" was supported.  In Tor
158    0.2.0.21 or later, "backwards-compatible renegotiation" is used.
160    In "certificates up-front", the connection initiator always sends a
161    two-certificate chain, consisting of an X.509 certificate using a
162    short-term connection public key and a second, self- signed X.509
163    certificate containing its identity key.  The other party sends a similar
164    certificate chain.  The initiator's ClientHello MUST NOT include any
165    ciphersuites other than:
166      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA
167      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
168      SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
169      SSL_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
171    In "renegotiation", the connection initiator sends no certificates, and
172    the responder sends a single connection certificate.  Once the TLS
173    handshake is complete, the initiator renegotiates the handshake, with each
174    party sending a two-certificate chain as in "certificates up-front".
175    The initiator's ClientHello MUST include at least one ciphersuite not in
176    the list above.  The responder SHOULD NOT select any ciphersuite besides
177    those in the list above.
178      [The above "should not" is because some of the ciphers that
179      clients list may be fake.]
181    In "backwards-compatible renegotiation", the connection initiator's
182    ClientHello MUST include at least one ciphersuite other than those listed
183    above. The connection responder examines the initiator's ciphersuite list
184    to see whether it includes any ciphers other than those included in the
185    list above.  If extra ciphers are included, the responder proceeds as in
186    "renegotiation": it sends a single certificate and does not request
187    client certificates.  Otherwise (in the case that no extra ciphersuites
188    are included in the ClientHello) the responder proceeds as in
189    "certificates up-front": it requests client certificates, and sends a
190    two-certificate chain.  In either case, once the responder has sent its
191    certificate or certificates, the initiator counts them.  If two
192    certificates have been sent, it proceeds as in "certificates up-front";
193    otherwise, it proceeds as in "renegotiation".
195    All new implementations of the Tor server protocol MUST support
196    "backwards-compatible renegotiation"; clients SHOULD do this too.  If
197    this is not possible, new client implementations MUST support both
198    "renegotiation" and "certificates up-front" and use the router's
199    published link protocols list (see dir-spec.txt on the "protocols" entry)
200    to decide which to use.
202    In all of the above handshake variants, certificates sent in the clear
203    SHOULD NOT include any strings to identify the host as a Tor server. In
204    the "renegotiation" and "backwards-compatible renegotiation" steps, the
205    initiator SHOULD choose a list of ciphersuites and TLS extensions
206    to mimic one used by a popular web browser.
208    Responders MUST NOT select any TLS ciphersuite that lacks ephemeral keys,
209    or whose symmetric keys are less then KEY_LEN bits, or whose digests are
210    less than HASH_LEN bits.  Responders SHOULD NOT select any SSLv3
211    ciphersuite other than those listed above.
213    Even though the connection protocol is identical, we will think of the
214    initiator as either an onion router (OR) if it is willing to relay
215    traffic for other Tor users, or an onion proxy (OP) if it only handles
216    local requests. Onion proxies SHOULD NOT provide long-term-trackable
217    identifiers in their handshakes.
219    In all handshake variants, once all certificates are exchanged, all
220    parties receiving certificates must confirm that the identity key is as
221    expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
222    the one given in the directory; when creating a connection because of an
223    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
224    the key is not as expected, the party must close the connection.
226    When connecting to an OR, all parties SHOULD reject the connection if that
227    OR has a malformed or missing certificate.  When accepting an incoming
228    connection, an OR SHOULD NOT reject incoming connections from parties with
229    malformed or missing certificates.  (However, an OR should not believe
230    that an incoming connection is from another OR unless the certificates
231    are present and well-formed.)
233    [Before version 0.1.2.8-rc, ORs rejected incoming connections from ORs and
234    OPs alike if their certificates were missing or malformed.]
236    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
237    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
238    cells are CELL_LEN bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
239    records of any size or divided across TLS records, but the framing
240    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
241    of the cells.
243    TLS connections are not permanent. Either side MAY close a connection
244    if there are no circuits running over it and an amount of time
245    (KeepalivePeriod, defaults to 5 minutes) has passed since the last time
246    any traffic was transmitted over the TLS connection.  Clients SHOULD
247    also hold a TLS connection with no circuits open, if it is likely that a
248    circuit will be built soon using that connection.
250    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
251    the ORs -- though this will be phased out for the Tor 0.1.2.x release.)
253    To avoid being trivially distinguished from servers, client-only Tor
254    instances are encouraged but not required to use a two-certificate chain
255    as well.  Clients SHOULD NOT keep using the same certificates when
256    their IP address changes.  Clients MAY send no certificates at all.
258 3. Cell Packet format
260    The basic unit of communication for onion routers and onion
261    proxies is a fixed-width "cell".
263    On a version 1 connection, each cell contains the following
264    fields:
266         CircID                                [2 bytes]
267         Command                               [1 byte]
268         Payload (padded with 0 bytes)         [PAYLOAD_LEN bytes]
270    On a version 2 connection, all cells are as in version 1 connections,
271    except for the initial VERSIONS cell, whose format is:
273         Circuit                               [2 octets; set to 0]
274         Command                               [1 octet; set to 7 for VERSIONS]
275         Length                                [2 octets; big-endian integer]
276         Payload                               [Length bytes]
278    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
279    associated with.
281    The 'Command' field holds one of the following values:
282          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 7.2)
283          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 5.1)
284          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 5.1)
285          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5.5 and 6)
286          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 5.4)
287          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See Sec 5.1)
288          6 -- CREATED_FAST (Circuit created, no PK) (See Sec 5.1)
289          7 -- VERSIONS    (Negotiate proto version) (See Sec 4)
290          8 -- NETINFO     (Time and address info)   (See Sec 4)
291          9 -- RELAY_EARLY (End-to-end data; limited)(See Sec 5.6)
293    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
294       PADDING: Payload is unused.
295       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
296       CREATED: Payload contains the handshake response.
297       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
298       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
299                (see 5.4)
300    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
301    drop the cell.  Since more cell types may be added in the future, ORs
302    should generally not warn when encountering unrecognized commands.
304    The payload is padded with 0 bytes.
306    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
307    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
308    cell every few minutes.
310    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
311    see section 5 below.
313    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
314    section 6 below.
316    VERSIONS and NETINFO cells are used to set up connections.  See section 4
317    below.
319 4. Negotiating and initializing connections
321 4.1. Negotiating versions with VERSIONS cells
323    There are multiple instances of the Tor link connection protocol.  Any
324    connection negotiated using the "certificates up front" handshake (see
325    section 2 above) is "version 1".  In any connection where both parties
326    have behaved as in the "renegotiation" handshake, the link protocol
327    version is 2 or higher.
329    To determine the version, in any connection where the "renegotiation"
330    handshake was used (that is, where the server sent only one certificate
331    at first and where the client did not send any certificates until
332    renegotiation), both parties MUST send a VERSIONS cell immediately after
333    the renegotiation is finished, before any other cells are sent.  Parties
334    MUST NOT send any other cells on a connection until they have received a
335    VERSIONS cell.
337    The payload in a VERSIONS cell is a series of big-endian two-byte
338    integers.  Both parties MUST select as the link protocol version the
339    highest number contained both in the VERSIONS cell they sent and in the
340    versions cell they received.  If they have no such version in common,
341    they cannot communicate and MUST close the connection.
343    Since the version 1 link protocol does not use the "renegotiation"
344    handshake, implementations MUST NOT list version 1 in their VERSIONS
345    cell.
347 4.2. NETINFO cells
349    If version 2 or higher is negotiated, each party sends the other a
350    NETINFO cell.  The cell's payload is:
352          Timestamp              [4 bytes]
353          Other OR's address     [variable]
354          Number of addresses    [1 byte]
355          This OR's addresses    [variable]
357    The address format is a type/length/value sequence as given in section
358    6.4 below.  The timestamp is a big-endian unsigned integer number of
359    seconds since the Unix epoch.
361    Implementations MAY use the timestamp value to help decide if their
362    clocks are skewed.  Initiators MAY use "other OR's address" to help
363    learn which address their connections are originating from, if they do
364    not know it.  Initiators SHOULD use "this OR's address" to make sure
365    that they have connected to another OR at its canonical address.
367    [As of 0.2.0.23-rc, implementations use none of the above values.]
370 5. Circuit management
372 5.1. CREATE and CREATED cells
374    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
375    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
376    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
377    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
378    of derivative key data (see section 5.2). To extend a circuit past
379    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
380    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
381    to extend the circuit.
383    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
384    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
385    This value is hybrid-encrypted (see 0.3) to Bob's onion key, giving
386    an onion-skin of:
387        PK-encrypted:
388          Padding                       [PK_PAD_LEN bytes]
389          Symmetric key                 [KEY_LEN bytes]
390          First part of g^x             [PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes]
391        Symmetrically encrypted:
392          Second part of g^x            [DH_LEN-(PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN)
393                                            bytes]
395    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
396          Address                       [4 bytes]
397          Port                          [2 bytes]
398          Onion skin                    [DH_LEN+KEY_LEN+PK_PAD_LEN bytes]
399          Identity fingerprint          [HASH_LEN bytes]
401    The port and address field denote the IPv4 address and port of the next
402    onion router in the circuit; the public key hash is the hash of the PKCS#1
403    ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.  (See 0.3
404    above.)  Including this hash allows the extending OR verify that it is
405    indeed connected to the correct target OR, and prevents certain
406    man-in-the-middle attacks.
408    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
409    EXTENDED cell, contains:
410          DH data (g^y)                 [DH_LEN bytes]
411          Derivative key data (KH)      [HASH_LEN bytes]   <see 5.2 below>
413    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
414    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
415    CircID collisions, when one node sends a CREATE cell to another, it chooses
416    from only one half of the possible values based on the ORs' public
417    identity keys: if the sending node has a lower key, it chooses a CircID with
418    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
420    (An OP with no public key MAY choose any CircID it wishes, since an OP
421    never needs to process a CREATE cell.)
423    Public keys are compared numerically by modulus.
425    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
427 5.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
429    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
430    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
431    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
432    public key operations to create a circuit.  In this case, the
433    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
434    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
435    created.
437    A CREATE_FAST cell contains:
439        Key material (X)    [HASH_LEN bytes]
441    A CREATED_FAST cell contains:
443        Key material (Y)    [HASH_LEN bytes]
444        Derivative key data [HASH_LEN bytes] (See 5.2 below)
446    The values of X and Y must be generated randomly.
448    If an OR sees a circuit created with CREATE_FAST, the OR is sure to be the
449    first hop of a circuit.  ORs SHOULD reject attempts to create streams with
450    RELAY_BEGIN exiting the circuit at the first hop: letting Tor be used as a
451    single hop proxy makes exit nodes a more attractive target for compromise.
453 5.2. Setting circuit keys
455    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
456    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
457    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
458    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
459    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
460    with degenerate keys.  Implementations MUST NOT discard other "weak"
461    g^x values.
463    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys
464    are not discarded, an attacker can substitute the server's CREATED
465    cell's g^y with 0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating
466    the server. Discarding other keys may allow attacks to learn bits of
467    the private key.)
469    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
470    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
471    integer.
473    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
474    K0=X|Y.
476    From the base key material K0, they compute KEY_LEN*2+HASH_LEN*3 bytes of
477    derivative key data as
478        K = H(K0 | [00]) | H(K0 | [01]) | H(K0 | [02]) | ...
480    The first HASH_LEN bytes of K form KH; the next HASH_LEN form the forward
481    digest Df; the next HASH_LEN 41-60 form the backward digest Db; the next
482    KEY_LEN 61-76 form Kf, and the final KEY_LEN form Kb.  Excess bytes from K
483    are discarded.
485    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
486    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
487    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
488    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
489    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
490    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
492 5.3. Creating circuits
494    When creating a circuit through the network, the circuit creator
495    (OP) performs the following steps:
497       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
498          router's exit policy includes at least one pending stream that
499          needs a circuit (if there are any).
501       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
502          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
503          appears in the path twice.
505       3. If not already connected to the first router in the chain,
506          open a new connection to that router.
508       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
509          first router in the chain; send a CREATE cell along the
510          connection, to be received by the first onion router.
512       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
513          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
515       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
516          the circuit to R.
518    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
519    these steps:
521       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public onion key.
523       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
524          the circuit (see section 5).
526       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
527          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
529    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
530    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
531    payload.  As special cases, if the extend cell includes a digest of
532    all zeroes, or asks to extend back to the relay that sent the extend
533    cell, the circuit will fail and be torn down. The initiating onion
534    router chooses some circID not yet used on the connection between the
535    two onion routers.  (But see section 5.1. above, concerning choosing
536    circIDs based on lexicographic order of nicknames.)
538    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
539    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
540    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
541    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
542    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
543    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
544    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
546    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
547    until a break in traffic allows time to do so without harming
548    network latency too greatly.)
550 5.3.1. Canonical connections
552    It is possible for an attacker to launch a man-in-the-middle attack
553    against a connection by telling OR Alice to extend to OR Bob at some
554    address X controlled by the attacker.  The attacker cannot read the
555    encrypted traffic, but the attacker is now in a position to count all
556    bytes sent between Alice and Bob (assuming Alice was not already
557    connected to Bob.)
559    To prevent this, when an OR we gets an extend request, it SHOULD use an
560    existing OR connection if the ID matches, and ANY of the following
561    conditions hold:
562        - The IP matches the requested IP.
563        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
564          because it was listed in the NETINFO cell.
565        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
566          because it was listed in the server descriptor.
568    [This is not implemented in Tor 0.2.0.23-rc.]
570 5.4. Tearing down circuits
572    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
573    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
574    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
575    either completely or hop-by-hop.
577    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
578    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
579    direction's circID.
581    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
582    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
583    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
584    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
585    down any associated edge connections (see section 6.1).
587    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
588    destroy cells for the corresponding circuit.
590    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
591    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
592    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
593    RELAY_TRUNCATED cell.
595    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
596    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
597    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
598    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
599    should send a DESTROY cell down the circuit.
601    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
602    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
603    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
604    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
605    this error code to 0, to avoid leaking its version.
607    The error codes are:
608      0 -- NONE            (No reason given.)
609      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
610      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
611      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
612      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
613      5 -- RESOURCELIMIT   (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
614      6 -- CONNECTFAILED   (Unable to reach server.)
615      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
616                            as expected.)
617      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
618                            died.)
619      9 -- FINISHED        (The circuit has expired for being dirty or old.)
620     10 -- TIMEOUT         (Circuit construction took too long)
621     11 -- DESTROYED       (The circuit was destroyed w/o client TRUNCATE)
622     12 -- NOSUCHSERVICE   (Request for unknown hidden service)
624 5.5. Routing relay cells
626    When an OR receives a RELAY or RELAY_EARLY cell, it checks the cell's
627    circID and determines whether it has a corresponding circuit along that
628    connection.  If not, the OR drops the cell.
630    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
631    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
632    with the stream cipher, as follows:
633         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
634             Use Kf as key; decrypt.
635         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
636             Use Kb as key; encrypt.
637    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
639    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
640    inspecting the payload as described in section 6.1 below.  If the OR
641    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
642    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
643    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
644    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
645    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
647    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
648    with the stream cipher as follows:
649          OP receives data cell:
650             For I=N...1,
651                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
652                 section 6..1), then stop and process the payload.
654    For more information, see section 6 below.
656 5.6. Handling relay_early cells
658    A RELAY_EARLY cell is designed to limit the length any circuit can reach.
659    When an OR receives a RELAY_EARLY cell, and the next node in the circuit
660    is speaking v2 of the link protocol or later, the OR relays the cell as a
661    RELAY_EARLY cell.  Otherwise, it relays it as a RELAY cell.
663    If a node ever receives more than 8 RELAY_EARLY cells on a given
664    outbound circuit, it SHOULD close the circuit. (For historical reasons,
665    we don't limit the number of inbound RELAY_EARLY cells; they should
666    be harmless anyway because clients won't accept extend requests. See
667    bug 1038.)
669    When speaking v2 of the link protocol or later, clients MUST only send
670    EXTEND cells inside RELAY_EARLY cells.  Clients SHOULD send the first ~8
671    RELAY cells that are not targeted at the first hop of any circuit as
672    RELAY_EARLY cells too, in order to partially conceal the circuit length.
674    [In a future version of Tor, servers will reject any EXTEND cell not
675    received in a RELAY_EARLY cell.  See proposal 110.]
677 6. Application connections and stream management
679 6.1. Relay cells
681    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
682    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
683    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
684    by either edge; streams are initiated by the OP.
686    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
687          Relay command           [1 byte]
688          'Recognized'            [2 bytes]
689          StreamID                [2 bytes]
690          Digest                  [4 bytes]
691          Length                  [2 bytes]
692          Data                    [CELL_LEN-14 bytes]
694    The relay commands are:
695          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
696          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
697          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
698          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
699          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward] [sometimes control]
700          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]             [control]
701          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]            [control]
702          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]             [control]
703          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]            [control]
704         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward] [control]
705         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
706         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
707         13 -- RELAY_BEGIN_DIR [forward]
709         32..40 -- Used for hidden services; see rend-spec.txt.
711    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
712    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
713    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
714    as either can be sent either by the originator or other nodes.
716    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
717    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
718    the running digest of all the bytes that have been destined for
719    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
720    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 5.2 above),
721    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
722    field set to zero).
724    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
725    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
726    decryption (see section 5.5 above).
728    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
729    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
730    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
731    digest does not match, the running digest at that node should
732    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
734    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
735    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
736    cells that affect the entire circuit rather than a particular
737    stream use a StreamID of zero -- they are marked in the table above
738    as "[control]" style cells. (Sendme cells are marked as "sometimes
739    control" because they can take include a StreamID or not depending
740    on their purpose -- see Section 7.)
742    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
743    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
744    the payload is padded with NUL bytes.
746    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
747    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
748    still count with respect to the digests, though.
750 6.2. Opening streams and transferring data
752    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
753    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
754    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
755    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
756    and port of the destination host.  The payload format is:
758          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
760    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
761    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
762    and where PORT is a decimal integer between 1 and 65535, inclusive.
764    [What is the [00] for? -NM]
765    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
767    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
768    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
769    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
770    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 6.4 below.)
771    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
772    payload is in one of the following formats:
773        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
774        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
775     or
776        Four zero-valued octets [4 octets]
777        An address type (6)     [1 octet]
778        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
779        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
780    [XXXX No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
782    [Tor servers before 0.1.2.0 set the TTL field to a fixed value.  Later
783    versions set the TTL to the last value seen from a DNS server, and expire
784    their own cached entries after a fixed interval.  This prevents certain
785    attacks.]
787    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
788    Once a connection has been established, the OP and exit node
789    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
790    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
791    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
793    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
794    a cell, the OR or OP must drop it.
796 6.2.1. Opening a directory stream
798    If a Tor server is a directory server, it should respond to a
799    RELAY_BEGIN_DIR cell as if it had received a BEGIN cell requesting a
800    connection to its directory port.  RELAY_BEGIN_DIR cells ignore exit
801    policy, since the stream is local to the Tor process.
803    If the Tor server is not running a directory service, it should respond
804    with a REASON_NOTDIRECTORY RELAY_END cell.
806    Clients MUST generate an all-zero payload for RELAY_BEGIN_DIR cells,
807    and servers MUST ignore the payload.
809    [RELAY_BEGIN_DIR was not supported before Tor 0.1.2.2-alpha; clients
810    SHOULD NOT send it to routers running earlier versions of Tor.]
812 6.3. Closing streams
814    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
815    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
816    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
817    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
818    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
819    circuit for that stream.
821    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
822    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
823    the reason.)  The values are:
825        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
826        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
827        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
828        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
829        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
830        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
831        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
832                                    while connecting)
833        8 -- (unallocated) [**]
834        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
835       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
836       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
837       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
838       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
839                                    Tor protocol violations.)
840       14 -- REASON_NOTDIRECTORY   (Client sent RELAY_BEGIN_DIR to a
841                                    non-directory server.)
843    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
844    forms the optional data, along with a 4-byte TTL; no other reason
845    currently has extra data.)
847    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
848    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
850    Tors SHOULD NOT send any reason except REASON_MISC for a stream that they
851    have originated.
853    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
854        reset.
855    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
856         remain allocated until that version is obsolete.
858    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
860    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
861    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
863    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
864    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
865    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
866    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
867    onion router.
869    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
870    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
871    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
872    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
873    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
874    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
876    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
877    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
878    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
879    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
880    'CLOSED'.
882    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
883    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
885 6.4. Remote hostname lookup
887    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
888    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved with a NUL
889    terminating byte. (For a reverse lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE
890    cell containing an in-addr.arpa address.) The OR replies with a
891    RELAY_RESOLVED cell containing a status byte, and any number of
892    answers. Each answer is of the form:
893        Type   (1 octet)
894        Length (1 octet)
895        Value  (variable-width)
896        TTL    (4 octets)
897    "Length" is the length of the Value field.
898    "Type" is one of:
899       0x00 -- Hostname
900       0x04 -- IPv4 address
901       0x06 -- IPv6 address
902       0xF0 -- Error, transient
903       0xF1 -- Error, nontransient
905     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
907     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
908     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
909     is actually created by the OR when resolving the name.
911 7. Flow control
913 7.1. Link throttling
915    Each client or relay should do appropriate bandwidth throttling to
916    keep its user happy.
918    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
919    stop reading.
921    The mainline Tor implementation uses token buckets (one for reads,
922    one for writes) for the rate limiting.
924    Since 0.2.0.x, Tor has let the user specify an additional pair of
925    token buckets for "relayed" traffic, so people can deploy a Tor relay
926    with strict rate limiting, but also use the same Tor as a client. To
927    avoid partitioning concerns we combine both classes of traffic over a
928    given OR connection, and keep track of the last time we read or wrote
929    a high-priority (non-relayed) cell. If it's been less than N seconds
930    (currently N=30), we give the whole connection high priority, else we
931    give the whole connection low priority. We also give low priority
932    to reads and writes for connections that are serving directory
933    information. See proposal 111 for details.
935 7.2. Link padding
937    Link padding can be created by sending PADDING cells along the
938    connection; relay cells of type "DROP" can be used for long-range
939    padding.
941    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
942    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
943    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
944    for running a node, we plan to leave out link padding until this
945    tradeoff is better understood.
947 7.3. Circuit-level flow control
949    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of two
950    'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is allowed to
951    originate (package for transmission), and how many RELAY_DATA cells
952    it is willing to consume (receive for local streams).  These limits
953    do not apply to cells that the OR receives from one host and relays
954    to another.
956    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
957    in each direction (cells that are not data cells do not affect
958    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
959    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
960    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
961    packaging window.
963    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
965    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
966    window and a delivery window for every OR in the circuit.
968    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
969    corresponding window value falls under some threshold (900).
971    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
972    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
973    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
974 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
976 7.4. Stream-level flow control
978    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
979    control for individual connections across circuits. Similarly to
980    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
981    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
982    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
983    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
984    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
986 A.1. Differences between spec and implementation
988 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
989   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
990   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
991   support at all.