Patch from Karsten to implement proposal 135 ("Testing Tor Networks").
[torspec/rransom.git] / path-spec.txt
blob96cbb4c76a088c5b3a28b93984532152af574adb
1 $Id$
3                            Tor Path Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
9 versions of Tor will implement improved algorithms.
11 This document tries to cover how Tor chooses to build circuits and assign
12 streams to circuits.  Other implementations MAY take other approaches, but
13 implementors should be aware of the anonymity and load-balancing implications
14 of their choices.
16                     THIS SPEC ISN'T DONE OR CORRECT YET.
18 1. General operation
20    Tor begins building circuits as soon as it has enough directory
21    information to do so (see section 5.1 of dir-spec.txt).  Some circuits are
22    built preemptively because we expect to need them later (for user
23    traffic), and some are built because of immediate need (for user traffic
24    that no current circuit can handle, for testing the network or our
25    reachability, and so on).
27    When a client application creates a new stream (by opening a SOCKS
28    connection or launching a resolve request), we attach it to an appropriate
29    open circuit if one exists, or wait if an appropriate circuit is
30    in-progress. We launch a new circuit only
31    if no current circuit can handle the request.  We rotate circuits over
32    time to avoid some profiling attacks.
34    To build a circuit, we choose all the nodes we want to use, and then
35    construct the circuit.  Sometimes, when we want a circuit that ends at a
36    given hop, and we have an appropriate unused circuit, we "cannibalize" the
37    existing circuit and extend it to the new terminus.
39    These processes are described in more detail below.
41    This document describes Tor's automatic path selection logic only; path
42    selection can be overridden by a controller (with the EXTENDCIRCUIT and
43    ATTACHSTREAM commands).  Paths constructed through these means may
44    violate some constraints given below.
46 1.1. Terminology
48    A "path" is an ordered sequence of nodes, not yet built as a circuit.
50    A "clean" circuit is one that has not yet been used for any traffic.
52    A "fast" or "stable" or "valid" node is one that has the 'Fast' or
53    'Stable' or 'Valid' flag
54    set respectively, based on our current directory information.  A "fast"
55    or "stable" circuit is one consisting only of "fast" or "stable" nodes.
57    In an "exit" circuit, the final node is chosen based on waiting stream
58    requests if any, and in any case it avoids nodes with exit policy of
59    "reject *:*". An "internal" circuit, on the other hand, is one where
60    the final node is chosen just like a middle node (ignoring its exit
61    policy).
63    A "request" is a client-side stream or DNS resolve that needs to be
64    served by a circuit.
66    A "pending" circuit is one that we have started to build, but which has
67    not yet completed.
69    A circuit or path "supports" a request if it is okay to use the
70    circuit/path to fulfill the request, according to the rules given below.
71    A circuit or path "might support" a request if some aspect of the request
72    is unknown (usually its target IP), but we believe the path probably
73    supports the request according to the rules given below.
75 2. Building circuits
77 2.1. When we build
79 2.1.1. Clients build circuits preemptively
81    When running as a client, Tor tries to maintain at least a certain
82    number of clean circuits, so that new streams can be handled
83    quickly.  To increase the likelihood of success, Tor tries to
84    predict what circuits will be useful by choosing from among nodes
85    that support the ports we have used in the recent past (by default
86    one hour). Specifically, on startup Tor tries to maintain one clean
87    fast exit circuit that allows connections to port 80, and at least
88    two fast clean stable internal circuits in case we get a resolve
89    request or hidden service request (at least three if we _run_ a
90    hidden service).
92    After that, Tor will adapt the circuits that it preemptively builds
93    based on the requests it sees from the user: it tries to have two fast
94    clean exit circuits available for every port seen within the past hour
95    (each circuit can be adequate for many predicted ports -- it doesn't
96    need two separate circuits for each port), and it tries to have the
97    above internal circuits available if we've seen resolves or hidden
98    service activity within the past hour. If there are 12 or more clean
99    circuits open, it doesn't open more even if it has more predictions.
101    Only stable circuits can "cover" a port that is listed in the
102    LongLivedPorts config option. Similarly, hidden service requests
103    to ports listed in LongLivedPorts make us create stable internal
104    circuits.
106    Note that if there are no requests from the user for an hour, Tor
107    will predict no use and build no preemptive circuits.
109    The Tor client SHOULD NOT store its list of predicted requests to a
110    persistent medium.
112 2.1.2. Clients build circuits on demand
114    Additionally, when a client request exists that no circuit (built or
115    pending) might support, we create a new circuit to support the request.
116    For exit connections, we pick an exit node that will handle the
117    most pending requests (choosing arbitrarily among ties), launch a
118    circuit to end there, and repeat until every unattached request
119    might be supported by a pending or built circuit. For internal
120    circuits, we pick an arbitrary acceptable path, repeating as needed.
122    In some cases we can reuse an already established circuit if it's
123    clean; see Section 2.3 (cannibalizing circuits) for details.
125 2.1.3. Servers build circuits for testing reachability and bandwidth
127    Tor servers test reachability of their ORPort once they have
128    successfully built a circuit (on start and whenever their IP address
129    changes). They build an ordinary fast internal circuit with themselves
130    as the last hop. As soon as any testing circuit succeeds, the Tor
131    server decides it's reachable and is willing to publish a descriptor.
133    We launch multiple testing circuits (one at a time), until we
134    have NUM_PARALLEL_TESTING_CIRC (4) such circuits open. Then we
135    do a "bandwidth test" by sending a certain number of relay drop
136    cells down each circuit: BandwidthRate * 10 / CELL_NETWORK_SIZE
137    total cells divided across the four circuits, but never more than
138    CIRCWINDOW_START (1000) cells total. This exercises both outgoing and
139    incoming bandwidth, and helps to jumpstart the observed bandwidth
140    (see dir-spec.txt).
142    Tor servers also test reachability of their DirPort once they have
143    established a circuit, but they use an ordinary exit circuit for
144    this purpose.
146 2.1.4. Hidden-service circuits
148    See section 4 below.
150 2.1.5. Rate limiting of failed circuits
152    If we fail to build a circuit N times in a X second period (see Section
153    2.3 for how this works), we stop building circuits until the X seconds
154    have elapsed.
155    XXXX
157 2.1.6. When to tear down circuits
159    XXXX
161 2.2. Path selection and constraints
163    We choose the path for each new circuit before we build it.  We choose the
164    exit node first, followed by the other nodes in the circuit.  All paths
165    we generate obey the following constraints:
166      - We do not choose the same router twice for the same path.
167      - We do not choose any router in the same family as another in the same
168        path.
169      - We do not choose more than one router in a given /16 subnet
170        (unless EnforceDistinctSubnets is 0).
171      - We don't choose any non-running or non-valid router unless we have
172        been configured to do so. By default, we are configured to allow
173        non-valid routers in "middle" and "rendezvous" positions.
174      - If we're using Guard nodes, the first node must be a Guard (see 5
175        below)
176      - XXXX Choosing the length
178    For circuits that do not need to be "fast", when choosing among
179    multiple candidates for a path element, we choose randomly.
181    For "fast" circuits, we pick a given router as an exit with probability
182    proportional to its advertised bandwidth [the smaller of the 'rate' and
183    'observed' arguments to the "bandwidth" element in its descriptor].  If a
184    router's advertised bandwidth is greater than MAX_BELIEVABLE_BANDWIDTH
185    (currently 10 MB/s), we clip to that value.
187    For non-exit positions on "fast" circuits, we pick routers as above, but
188    we weight the clipped advertised bandwidth of Exit-flagged nodes depending
189    on the fraction of bandwidth available from non-Exit nodes.  Call the
190    total clipped advertised bandwidth for Exit nodes under consideration E,
191    and the total clipped advertised bandwidth for all nodes under
192    consideration T.  If E<T/3, we do not consider Exit-flagged nodes.
193    Otherwise, we weight their bandwidth with the factor (E-T/3)/E. This 
194    ensures that bandwidth is evenly distributed over nodes in 3-hop paths.
196    Similarly, guard nodes are weighted by the factor (G-T/3)/G, and not
197    considered for non-guard positions if this value is less than 0.
199    Additionally, we may be building circuits with one or more requests in
200    mind.  Each kind of request puts certain constraints on paths:
202      - All service-side introduction circuits and all rendezvous paths
203        should be Stable.
204      - All connection requests for connections that we think will need to
205        stay open a long time require Stable circuits.  Currently, Tor decides
206        this by examining the request's target port, and comparing it to a
207        list of "long-lived" ports. (Default: 21, 22, 706, 1863, 5050,
208        5190, 5222, 5223, 6667, 6697, 8300.)
209      - DNS resolves require an exit node whose exit policy is not equivalent
210        to "reject *:*".
211      - Reverse DNS resolves require a version of Tor with advertised eventdns
212        support (available in Tor 0.1.2.1-alpha-dev and later).
213      - All connection requests require an exit node whose exit policy
214        supports their target address and port (if known), or which "might
215        support it" (if the address isn't known).  See 2.2.1.
216      - Rules for Fast? XXXXX
218 2.2.1. Choosing an exit
220    If we know what IP address we want to connect to or resolve, we can
221    trivially tell whether a given router will support it by simulating
222    its declared exit policy.
224    Because we often connect to addresses of the form hostname:port, we do not
225    always know the target IP address when we select an exit node.  In these
226    cases, we need to pick an exit node that "might support" connections to a
227    given address port with an unknown address.  An exit node "might support"
228    such a connection if any clause that accepts any connections to that port
229    precedes all clauses (if any) that reject all connections to that port.
231    Unless requested to do so by the user, we never choose an exit server
232    flagged as "BadExit" by more than half of the authorities who advertise
233    themselves as listing bad exits.
235 2.2.2. User configuration
237    Users can alter the default behavior for path selection with configuration
238    options.
240    - If "ExitNodes" is provided, then every request requires an exit node on
241      the ExitNodes list.  (If a request is supported by no nodes on that list,
242      and StrictExitNodes is false, then Tor treats that request as if
243      ExitNodes were not provided.)
245    - "EntryNodes" and "StrictEntryNodes" behave analogously.
247    - If a user tries to connect to or resolve a hostname of the form
248      <target>.<servername>.exit, the request is rewritten to a request for
249      <target>, and the request is only supported by the exit whose nickname
250      or fingerprint is <servername>.
252 2.3. Cannibalizing circuits
254    If we need a circuit and have a clean one already established, in
255    some cases we can adapt the clean circuit for our new
256    purpose. Specifically,
258    For hidden service interactions, we can "cannibalize" a clean internal
259    circuit if one is available, so we don't need to build those circuits
260    from scratch on demand.
262    We can also cannibalize clean circuits when the client asks to exit
263    at a given node -- either via the ".exit" notation or because the
264    destination is running at the same location as an exit node.
267 2.4. Handling failure
269    If an attempt to extend a circuit fails (either because the first create
270    failed or a subsequent extend failed) then the circuit is torn down and is
271    no longer pending.  (XXXX really?)  Requests that might have been
272    supported by the pending circuit thus become unsupported, and a new
273    circuit needs to be constructed.
275    If a stream "begin" attempt fails with an EXITPOLICY error, we
276    decide that the exit node's exit policy is not correctly advertised,
277    so we treat the exit node as if it were a non-exit until we retrieve
278    a fresh descriptor for it.
280    XXXX
282 3. Attaching streams to circuits
284    When a circuit that might support a request is built, Tor tries to attach
285    the request's stream to the circuit and sends a BEGIN, BEGIN_DIR,
286    or RESOLVE relay
287    cell as appropriate.  If the request completes unsuccessfully, Tor
288    considers the reason given in the CLOSE relay cell. [XXX yes, and?]
291    After a request has remained unattached for SocksTimeout (2 minutes
292    by default), Tor abandons the attempt and signals an error to the
293    client as appropriate (e.g., by closing the SOCKS connection).
295    XXX Timeouts and when Tor auto-retries.
296     * What stream-end-reasons are appropriate for retrying.
298    If no reply to BEGIN/RESOLVE, then the stream will timeout and fail.
300 4. Hidden-service related circuits
302   XXX Tracking expected hidden service use (client-side and hidserv-side)
304 5. Guard nodes
306   We use Guard nodes (also called "helper nodes" in the literature) to
307   prevent certain profiling attacks.  Here's the risk: if we choose entry and
308   exit nodes at random, and an attacker controls C out of N servers
309   (ignoring advertised bandwidth), then the
310   attacker will control the entry and exit node of any given circuit with
311   probability (C/N)^2.  But as we make many different circuits over time,
312   then the probability that the attacker will see a sample of about (C/N)^2
313   of our traffic goes to 1.  Since statistical sampling works, the attacker
314   can be sure of learning a profile of our behavior.
316   If, on the other hand, we picked an entry node and held it fixed, we would
317   have probability C/N of choosing a bad entry and being profiled, and
318   probability (N-C)/N of choosing a good entry and not being profiled.
320   When guard nodes are enabled, Tor maintains an ordered list of entry nodes
321   as our chosen guards, and stores this list persistently to disk.  If a Guard
322   node becomes unusable, rather than replacing it, Tor adds new guards to the
323   end of the list.  When choosing the first hop of a circuit, Tor
324   chooses at
325   random from among the first NumEntryGuards (default 3) usable guards on the
326   list.  If there are not at least 2 usable guards on the list, Tor adds
327   routers until there are, or until there are no more usable routers to add.
329   A guard is unusable if any of the following hold:
330     - it is not marked as a Guard by the networkstatuses,
331     - it is not marked Valid (and the user hasn't set AllowInvalid entry)
332     - it is not marked Running
333     - Tor couldn't reach it the last time it tried to connect
335   A guard is unusable for a particular circuit if any of the rules for path
336   selection in 2.2 are not met.  In particular, if the circuit is "fast"
337   and the guard is not Fast, or if the circuit is "stable" and the guard is
338   not Stable, or if the guard has already been chosen as the exit node in
339   that circuit, Tor can't use it as a guard node for that circuit.
341   If the guard is excluded because of its status in the networkstatuses for
342   over 30 days, Tor removes it from the list entirely, preserving order.
344   If Tor fails to connect to an otherwise usable guard, it retries
345   periodically: every hour for six hours, every 4 hours for 3 days, every
346   18 hours for a week, and every 36 hours thereafter.  Additionally, Tor
347   retries unreachable guards the first time it adds a new guard to the list,
348   since it is possible that the old guards were only marked as unreachable
349   because the network was unreachable or down.
351   Tor does not add a guard persistently to the list until the first time we
352   have connected to it successfully.
354 6. Router descriptor purposes
356   There are currently three "purposes" supported for router descriptors:
357   general, controller, and bridge. Most descriptors are of type general
358   -- these are the ones listed in the consensus, and the ones fetched
359   and used in normal cases.
361   Controller-purpose descriptors are those delivered by the controller
362   and labelled as such: they will be kept around (and expire like
363   normal descriptors), and they can be used by the controller in its
364   CIRCUITEXTEND commands. Otherwise they are ignored by Tor when it
365   chooses paths.
367   Bridge-purpose descriptors are for routers that are used as bridges. See
368   doc/design-paper/blocking.pdf for more design explanation, or proposal
369   125 for specific details. Currently bridge descriptors are used in place
370   of normal entry guards, for Tor clients that have UseBridges enabled.
373 X. Old notes
375 X.1. Do we actually do this?
377 How to deal with network down.
378   - While all helpers are down/unreachable and there are no established
379     or on-the-way testing circuits, launch a testing circuit. (Do this
380     periodically in the same way we try to establish normal circuits
381     when things are working normally.)
382     (Testing circuits are a special type of circuit, that streams won't
383     attach to by accident.)
384   - When a testing circuit succeeds, mark all helpers up and hold
385     the testing circuit open.
386   - If a connection to a helper succeeds, close all testing circuits.
387     Else mark that helper down and try another.
388   - If the last helper is marked down and we already have a testing
389     circuit established, then add the first hop of that testing circuit
390     to the end of our helper node list, close that testing circuit,
391     and go back to square one. (Actually, rather than closing the
392     testing circuit, can we get away with converting it to a normal
393     circuit and beginning to use it immediately?)
395   [Do we actually do any of the above?  If so, let's spec it.  If not, let's
396   remove it. -NM]
398 X.2. A thing we could do to deal with reachability.
400 And as a bonus, it leads to an answer to Nick's attack ("If I pick
401 my helper nodes all on 18.0.0.0:*, then I move, you'll know where I
402 bootstrapped") -- the answer is to pick your original three helper nodes
403 without regard for reachability. Then the above algorithm will add some
404 more that are reachable for you, and if you move somewhere, it's more
405 likely (though not certain) that some of the originals will become useful.
406 Is that smart or just complex?
408 X.3. Some stuff that worries me about entry guards. 2006 Jun, Nickm.
410   It is unlikely for two users to have the same set of entry guards.
411   Observing a user is sufficient to learn its entry guards.  So, as we move
412   around, entry guards make us linkable.  If we want to change guards when
413   our location (IP? subnet?) changes, we have two bad options.  We could
414     - Drop the old guards.  But if we go back to our old location,
415       we'll not use our old guards.  For a laptop that sometimes gets used
416       from work and sometimes from home, this is pretty fatal.
417     - Remember the old guards as associated with the old location, and use
418       them again if we ever go back to the old location.  This would be
419       nasty, since it would force us to record where we've been.
421   [Do we do any of this now? If not, this should move into 099-misc or
422   098-todo. -NM]