fix a typo in tor-spec.txt
[torspec/rransom.git] / tor-spec.txt
blob8c6508f6ee25ae2d02af2a38330945e1eff45d92
1 $Id$
3                          Tor Protocol Specification
5                               Roger Dingledine
6                                Nick Mathewson
8 Note: This document aims to specify Tor as implemented in 0.2.1.x.  Future
9 versions of Tor may implement improved protocols, and compatibility is not
10 guaranteed.  Compatibility notes are given for versions 0.1.1.15-rc and
11 later; earlier versions are not compatible with the Tor network as of this
12 writing.
14 This specification is not a design document; most design criteria
15 are not examined.  For more information on why Tor acts as it does,
16 see tor-design.pdf.
18 0. Preliminaries
20 0.1.  Notation and encoding
22    PK -- a public key.
23    SK -- a private key.
24    K  -- a key for a symmetric cypher.
26    a|b -- concatenation of 'a' and 'b'.
28    [A0 B1 C2] -- a three-byte sequence, containing the bytes with
29    hexadecimal values A0, B1, and C2, in that order.
31    All numeric values are encoded in network (big-endian) order.
33    H(m) -- a cryptographic hash of m.
35 0.2. Security parameters
37    Tor uses a stream cipher, a public-key cipher, the Diffie-Hellman
38    protocol, and a hash function.
40    KEY_LEN -- the length of the stream cipher's key, in bytes.
42    PK_ENC_LEN -- the length of a public-key encrypted message, in bytes.
43    PK_PAD_LEN -- the number of bytes added in padding for public-key
44      encryption, in bytes. (The largest number of bytes that can be encrypted
45      in a single public-key operation is therefore PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN.)
47    DH_LEN -- the number of bytes used to represent a member of the
48      Diffie-Hellman group.
49    DH_SEC_LEN -- the number of bytes used in a Diffie-Hellman private key (x).
51    HASH_LEN -- the length of the hash function's output, in bytes.
53    PAYLOAD_LEN -- The longest allowable cell payload, in bytes. (509)
55    CELL_LEN -- The length of a Tor cell, in bytes.
57 0.3. Ciphers
59    For a stream cipher, we use 128-bit AES in counter mode, with an IV of all
60    0 bytes.
62    For a public-key cipher, we use RSA with 1024-bit keys and a fixed
63    exponent of 65537.  We use OAEP-MGF1 padding, with SHA-1 as its digest
64    function.  We leave the optional "Label" parameter unset. (For OAEP
65    padding, see ftp://ftp.rsasecurity.com/pub/pkcs/pkcs-1/pkcs-1v2-1.pdf)
67    For Diffie-Hellman, we use a generator (g) of 2.  For the modulus (p), we
68    use the 1024-bit safe prime from rfc2409 section 6.2 whose hex
69    representation is:
71      "FFFFFFFFFFFFFFFFC90FDAA22168C234C4C6628B80DC1CD129024E08"
72      "8A67CC74020BBEA63B139B22514A08798E3404DDEF9519B3CD3A431B"
73      "302B0A6DF25F14374FE1356D6D51C245E485B576625E7EC6F44C42E9"
74      "A637ED6B0BFF5CB6F406B7EDEE386BFB5A899FA5AE9F24117C4B1FE6"
75      "49286651ECE65381FFFFFFFFFFFFFFFF"
77    As an optimization, implementations SHOULD choose DH private keys (x) of
78    320 bits.  Implementations that do this MUST never use any DH key more
79    than once.
80    [May other implementations reuse their DH keys?? -RD]
81    [Probably not. Conceivably, you could get away with changing DH keys once
82    per second, but there are too many oddball attacks for me to be
83    comfortable that this is safe. -NM]
85    For a hash function, we use SHA-1.
87    KEY_LEN=16.
88    DH_LEN=128; DH_SEC_LEN=40.
89    PK_ENC_LEN=128; PK_PAD_LEN=42.
90    HASH_LEN=20.
92    When we refer to "the hash of a public key", we mean the SHA-1 hash of the
93    DER encoding of an ASN.1 RSA public key (as specified in PKCS.1).
95    All "random" values should be generated with a cryptographically strong
96    random number generator, unless otherwise noted.
98    The "hybrid encryption" of a byte sequence M with a public key PK is
99    computed as follows:
100       1. If M is less than PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN, pad and encrypt M with PK.
101       2. Otherwise, generate a KEY_LEN byte random key K.
102          Let M1 = the first PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes of M,
103          and let M2 = the rest of M.
104          Pad and encrypt K|M1 with PK.  Encrypt M2 with our stream cipher,
105          using the key K.  Concatenate these encrypted values.
106    [XXX Note that this "hybrid encryption" approach does not prevent
107    an attacker from adding or removing bytes to the end of M. It also
108    allows attackers to modify the bytes not covered by the OAEP --
109    see Goldberg's PET2006 paper for details. We will add a MAC to this
110    scheme one day. -RD]
112 0.4. Other parameter values
114    CELL_LEN=512
116 1. System overview
118    Tor is a distributed overlay network designed to anonymize
119    low-latency TCP-based applications such as web browsing, secure shell,
120    and instant messaging. Clients choose a path through the network and
121    build a ``circuit'', in which each node (or ``onion router'' or ``OR'')
122    in the path knows its predecessor and successor, but no other nodes in
123    the circuit.  Traffic flowing down the circuit is sent in fixed-size
124    ``cells'', which are unwrapped by a symmetric key at each node (like
125    the layers of an onion) and relayed downstream.
127 1.1. Keys and names
129    Every Tor server has multiple public/private keypairs:
131     - A long-term signing-only "Identity key" used to sign documents and
132       certificates, and used to establish server identity.
133     - A medium-term "Onion key" used to decrypt onion skins when accepting
134       circuit extend attempts.  (See 5.1.)  Old keys MUST be accepted for at
135       least one week after they are no longer advertised.  Because of this,
136       servers MUST retain old keys for a while after they're rotated.
137     - A short-term "Connection key" used to negotiate TLS connections.
138       Tor implementations MAY rotate this key as often as they like, and
139       SHOULD rotate this key at least once a day.
141    Tor servers are also identified by "nicknames"; these are specified in
142    dir-spec.txt.
144 2. Connections
146    Connections between two Tor servers, or between a client and a server,
147    use TLS/SSLv3 for link authentication and encryption.  All
148    implementations MUST support the SSLv3 ciphersuite
149    "SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA", and SHOULD support the TLS
150    ciphersuite "TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA" if it is available.
152    There are three acceptable ways to perform a TLS handshake when
153    connecting to a Tor server: "certificates up-front", "renegotiation", and
154    "backwards-compatible renegotiation".  ("Backwards-compatible
155    renegotiation" is, as the name implies, compatible with both other
156    handshake types.)
158    Before Tor 0.2.0.21, only "certificates up-front" was supported.  In Tor
159    0.2.0.21 or later, "backwards-compatible renegotiation" is used.
161    In "certificates up-front", the connection initiator always sends a
162    two-certificate chain, consisting of an X.509 certificate using a
163    short-term connection public key and a second, self- signed X.509
164    certificate containing its identity key.  The other party sends a similar
165    certificate chain.  The initiator's ClientHello MUST NOT include any
166    ciphersuites other than:
167      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA
168      TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
169      SSL_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
170      SSL_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
172    In "renegotiation", the connection initiator sends no certificates, and
173    the responder sends a single connection certificate.  Once the TLS
174    handshake is complete, the initiator renegotiates the handshake, with each
175    parties sending a two-certificate chain as in "certificates up-front".
176    The initiator's ClientHello MUST include at least once ciphersuite not in
177    the list above.  The responder SHOULD NOT select any ciphersuite besides
178    those in the list above.
179      [The above "should not" is because some of the ciphers that
180      clients list may be fake.]
182    In "backwards-compatible renegotiation", the connection initiator's
183    ClientHello MUST include at least one ciphersuite other than those listed
184    above. The connection responder examines the initiator's ciphersuite list
185    to see whether it includes any ciphers other than those included in the
186    list above.  If extra ciphers are included, the responder proceeds as in
187    "renegotiation": it sends a single certificate and does not request
188    client certificates.  Otherwise (in the case that no extra ciphersuites
189    are included in the ClientHello) the responder proceeds as in
190    "certificates up-front": it requests client certificates, and sends a
191    two-certificate chain.  In either case, once the responder has sent its
192    certificate or certificates, the initiator counts them.  If two
193    certificates have been sent, it proceeds as in "certificates up-front";
194    otherwise, it proceeds as in "renegotiation".
196    All new implementations of the Tor server protocol MUST support
197    "backwards-compatible renegotiation"; clients SHOULD do this too.  If
198    this is not possible, new client implementations MUST support both
199    "renegotiation" and "certificates up-front" and use the router's
200    published link protocols list (see dir-spec.txt on the "protocols" entry)
201    to decide which to use.
203    In all of the above handshake variants, certificates sent in the clear
204    SHOULD NOT include any strings to identify the host as a Tor server.  In
205    the "renegotation" and "backwards-compatible renegotiation", the
206    initiator SHOULD chose a list of ciphersuites and TLS extensions chosen
207    to mimic one used by a popular web browser.
209    Responders MUST NOT select any TLS ciphersuite that lacks ephemeral keys,
210    or whose symmetric keys are less then KEY_LEN bits, or whose digests are
211    less than HASH_LEN bits.  Responders SHOULD NOT select any SSLv3
212    ciphersuite other than those listed above.
214    Even though the connection protocol is identical, we will think of the
215    initiator as either an onion router (OR) if it is willing to relay
216    traffic for other Tor users, or an onion proxy (OP) if it only handles
217    local requests. Onion proxies SHOULD NOT provide long-term-trackable
218    identifiers in their handshakes.
220    In all handshake variants, once all certificates are exchanged, all
221    parties receiving certificates must confirm that the identity key is as
222    expected.  (When initiating a connection, the expected identity key is
223    the one given in the directory; when creating a connection because of an
224    EXTEND cell, the expected identity key is the one given in the cell.)  If
225    the key is not as expected, the party must close the connection.
227    When connecting to an OR, all parties SHOULD reject the connection if that
228    OR has a malformed or missing certificate.  When accepting an incoming
229    connection, an OR SHOULD NOT reject incoming connections from parties with
230    malformed or missing certificates.  (However, an OR should not believe
231    that an incoming connection is from another OR unless the certificates
232    are present and well-formed.)
234    [Before version 0.1.2.8-rc, ORs rejected incoming connections from ORs and
235    OPs alike if their certificates were missing or malformed.]
237    Once a TLS connection is established, the two sides send cells
238    (specified below) to one another.  Cells are sent serially.  All
239    cells are CELL_LEN bytes long.  Cells may be sent embedded in TLS
240    records of any size or divided across TLS records, but the framing
241    of TLS records MUST NOT leak information about the type or contents
242    of the cells.
244    TLS connections are not permanent. Either side MAY close a connection
245    if there are no circuits running over it and an amount of time
246    (KeepalivePeriod, defaults to 5 minutes) has passed since the last time
247    any traffic was transmitted over the TLS connection.  Clients SHOULD
248    also hold a TLS connection with no circuits open, if it is likely that a
249    circuit will be built soon using that connection.
251    (As an exception, directory servers may try to stay connected to all of
252    the ORs -- though this will be phased out for the Tor 0.1.2.x release.)
254 3. Cell Packet format
256    The basic unit of communication for onion routers and onion
257    proxies is a fixed-width "cell".
259    On a version 1 connection, each cell contains the following
260    fields:
262         CircID                                [2 bytes]
263         Command                               [1 byte]
264         Payload (padded with 0 bytes)         [PAYLOAD_LEN bytes]
266    On a version 2 connection, all cells are as in version 1 connections,
267    except for the initial VERSIONS cell, whose format is:
269         Circuit                               [2 octets; set to 0]
270         Command                               [1 octet; set to 7 for VERSIONS]
271         Length                                [2 octets; big-endian integer]
272         Payload                               [Length bytes]
274    The CircID field determines which circuit, if any, the cell is
275    associated with.
277    The 'Command' field holds one of the following values:
278          0 -- PADDING     (Padding)                 (See Sec 7.2)
279          1 -- CREATE      (Create a circuit)        (See Sec 5.1)
280          2 -- CREATED     (Acknowledge create)      (See Sec 5.1)
281          3 -- RELAY       (End-to-end data)         (See Sec 5.5 and 6)
282          4 -- DESTROY     (Stop using a circuit)    (See Sec 5.4)
283          5 -- CREATE_FAST (Create a circuit, no PK) (See Sec 5.1)
284          6 -- CREATED_FAST (Circuit created, no PK) (See Sec 5.1)
285          7 -- VERSIONS    (Negotiate proto version) (See Sec 4)
286          8 -- NETINFO     (Time and address info)   (See Sec 4)
288    The interpretation of 'Payload' depends on the type of the cell.
289       PADDING: Payload is unused.
290       CREATE:  Payload contains the handshake challenge.
291       CREATED: Payload contains the handshake response.
292       RELAY:   Payload contains the relay header and relay body.
293       DESTROY: Payload contains a reason for closing the circuit.
294                (see 5.4)
295    Upon receiving any other value for the command field, an OR must
296    drop the cell.  Since more cell types may be added in the future, ORs
297    should generally not warn when encountering unrecognized commands.
299    The payload is padded with 0 bytes.
301    PADDING cells are currently used to implement connection keepalive.
302    If there is no other traffic, ORs and OPs send one another a PADDING
303    cell every few minutes.
305    CREATE, CREATED, and DESTROY cells are used to manage circuits;
306    see section 5 below.
308    RELAY cells are used to send commands and data along a circuit; see
309    section 6 below.
311    VERSIONS and NETINFO cells are used to set up connections.  See section 4
312    below.
314 4. Negotiating and initializing connections
316 4.1. Negotiating versions with VERSIONS cells
318    There are multiple instances of the Tor link connection protocol.  Any
319    connection negotiated using the "certificates up front" handshake (see
320    section 2 above) is "version 1".  In any connection where both parties
321    have behaved as in the "renegotiation" handshake, the link protocol
322    version is 2 or higher.
324    To determine the version, in any connection where the "renegotiation"
325    handshake was used (that is, where the server sent only one certificate
326    at first and where the client did not send any certificates until
327    renegotiation), both parties MUST send a VERSIONS cell immediately after
328    the renegotiation is finished, before any other cells are sent.  Parties
329    MUST NOT send any other cells on a connection until they have received a
330    VERSIONS cell.
332    The payload in a VERSIONS cell is a series of big-endian two-byte
333    integers.  Both parties MUST select as the link protocol version the
334    highest number contained both in the VERSIONS cell they sent and in the
335    versions cell they received.  If they have no such version in common,
336    they cannot communicate and MUST close the connection.
338    Since the version 1 link protocol does not use the "renegotiation"
339    handshake, implementations MUST NOT list version 1 in their VERSIONS
340    cell.
342 4.2. NETINFO cells
344    If version 2 or higher is negotiated, each party sends the other a
345    NETINFO cell.  The cell's payload is:
347          Timestamp              [4 bytes]
348          Other OR's address     [variable]
349          Number of addresses    [1 byte]
350          This OR's addresses    [variable]
352    The address format is a type/length/value sequence as given in section
353    6.4 below.  The timestamp is a big-endian unsigned integer number of
354    seconds since the unix epoch.
356    Implementations MAY use the timestamp value to help decide if their
357    clocks are skewed.  Initiators MAY use "other OR's address" to help
358    learn which address their connections are originating from, if they do
359    not know it.  Initiators SHOULD use "this OR's address" to make sure
360    that they have connected to another OR at its canonical address.
362    [As of 0.2.0.23-rc, implementations use none of the above values.]
365 5. Circuit management
367 5.1. CREATE and CREATED cells
369    Users set up circuits incrementally, one hop at a time. To create a
370    new circuit, OPs send a CREATE cell to the first node, with the
371    first half of the DH handshake; that node responds with a CREATED
372    cell with the second half of the DH handshake plus the first 20 bytes
373    of derivative key data (see section 5.2). To extend a circuit past
374    the first hop, the OP sends an EXTEND relay cell (see section 5)
375    which instructs the last node in the circuit to send a CREATE cell
376    to extend the circuit.
378    The payload for a CREATE cell is an 'onion skin', which consists
379    of the first step of the DH handshake data (also known as g^x).
380    This value is hybrid-encrypted (see 0.3) to Bob's onion key, giving
381    an onion-skin of:
382        PK-encrypted:
383          Padding                       [PK_PAD_LEN bytes]
384          Symmetric key                 [KEY_LEN bytes]
385          First part of g^x             [PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN bytes]
386        Symmetrically encrypted:
387          Second part of g^x            [DH_LEN-(PK_ENC_LEN-PK_PAD_LEN-KEY_LEN)
388                                            bytes]
390    The relay payload for an EXTEND relay cell consists of:
391          Address                       [4 bytes]
392          Port                          [2 bytes]
393          Onion skin                    [DH_LEN+KEY_LEN+PK_PAD_LEN bytes]
394          Identity fingerprint          [HASH_LEN bytes]
396    The port and address field denote the IPV4 address and port of the next
397    onion router in the circuit; the public key hash is the hash of the PKCS#1
398    ASN1 encoding of the next onion router's identity (signing) key.  (See 0.3
399    above.)  Including this hash allows the extending OR verify that it is
400    indeed connected to the correct target OR, and prevents certain
401    man-in-the-middle attacks.
403    The payload for a CREATED cell, or the relay payload for an
404    EXTENDED cell, contains:
405          DH data (g^y)                 [DH_LEN bytes]
406          Derivative key data (KH)      [HASH_LEN bytes]   <see 5.2 below>
408    The CircID for a CREATE cell is an arbitrarily chosen 2-byte integer,
409    selected by the node (OP or OR) that sends the CREATE cell.  To prevent
410    CircID collisions, when one node sends a CREATE cell to another, it chooses
411    from only one half of the possible values based on the ORs' public
412    identity keys: if the sending node has a lower key, it chooses a CircID with
413    an MSB of 0; otherwise, it chooses a CircID with an MSB of 1.
415    (An OP with no public key MAY choose any CircID it wishes, since an OP
416    never needs to process a CREATE cell.)
418    Public keys are compared numerically by modulus.
420    As usual with DH, x and y MUST be generated randomly.
422 5.1.1. CREATE_FAST/CREATED_FAST cells
424    When initializing the first hop of a circuit, the OP has already
425    established the OR's identity and negotiated a secret key using TLS.
426    Because of this, it is not always necessary for the OP to perform the
427    public key operations to create a circuit.  In this case, the
428    OP MAY send a CREATE_FAST cell instead of a CREATE cell for the first
429    hop only.  The OR responds with a CREATED_FAST cell, and the circuit is
430    created.
432    A CREATE_FAST cell contains:
434        Key material (X)    [HASH_LEN bytes]
436    A CREATED_FAST cell contains:
438        Key material (Y)    [HASH_LEN bytes]
439        Derivative key data [HASH_LEN bytes] (See 5.2 below)
441    The values of X and Y must be generated randomly.
443    If an OR sees a circuit created with CREATE_FAST, the OR is sure to be the
444    first hop of a circuit.  ORs SHOULD reject attempts to create streams with
445    RELAY_BEGIN exiting the circuit at the first hop: letting Tor be used as a
446    single hop proxy makes exit nodes a more attractive target for compromise.
448 5.2. Setting circuit keys
450    Once the handshake between the OP and an OR is completed, both can
451    now calculate g^xy with ordinary DH.  Before computing g^xy, both client
452    and server MUST verify that the received g^x or g^y value is not degenerate;
453    that is, it must be strictly greater than 1 and strictly less than p-1
454    where p is the DH modulus.  Implementations MUST NOT complete a handshake
455    with degenerate keys.  Implementations MUST NOT discard other "weak"
456    g^x values.
458    (Discarding degenerate keys is critical for security; if bad keys
459    are not discarded, an attacker can substitute the server's CREATED
460    cell's g^y with 0 or 1, thus creating a known g^xy and impersonating
461    the server. Discarding other keys may allow attacks to learn bits of
462    the private key.)
464    If CREATE or EXTEND is used to extend a circuit, the client and server
465    base their key material on K0=g^xy, represented as a big-endian unsigned
466    integer.
468    If CREATE_FAST is used, the client and server base their key material on
469    K0=X|Y.
471    From the base key material K0, they compute KEY_LEN*2+HASH_LEN*3 bytes of
472    derivative key data as
473        K = H(K0 | [00]) | H(K0 | [01]) | H(K0 | [02]) | ...
475    The first HASH_LEN bytes of K form KH; the next HASH_LEN form the forward
476    digest Df; the next HASH_LEN 41-60 form the backward digest Db; the next
477    KEY_LEN 61-76 form Kf, and the final KEY_LEN form Kb.  Excess bytes from K
478    are discarded.
480    KH is used in the handshake response to demonstrate knowledge of the
481    computed shared key. Df is used to seed the integrity-checking hash
482    for the stream of data going from the OP to the OR, and Db seeds the
483    integrity-checking hash for the data stream from the OR to the OP. Kf
484    is used to encrypt the stream of data going from the OP to the OR, and
485    Kb is used to encrypt the stream of data going from the OR to the OP.
487 5.3. Creating circuits
489    When creating a circuit through the network, the circuit creator
490    (OP) performs the following steps:
492       1. Choose an onion router as an exit node (R_N), such that the onion
493          router's exit policy includes at least one pending stream that
494          needs a circuit (if there are any).
496       2. Choose a chain of (N-1) onion routers
497          (R_1...R_N-1) to constitute the path, such that no router
498          appears in the path twice.
500       3. If not already connected to the first router in the chain,
501          open a new connection to that router.
503       4. Choose a circID not already in use on the connection with the
504          first router in the chain; send a CREATE cell along the
505          connection, to be received by the first onion router.
507       5. Wait until a CREATED cell is received; finish the handshake
508          and extract the forward key Kf_1 and the backward key Kb_1.
510       6. For each subsequent onion router R (R_2 through R_N), extend
511          the circuit to R.
513    To extend the circuit by a single onion router R_M, the OP performs
514    these steps:
516       1. Create an onion skin, encrypted to R_M's public onion key.
518       2. Send the onion skin in a relay EXTEND cell along
519          the circuit (see section 5).
521       3. When a relay EXTENDED cell is received, verify KH, and
522          calculate the shared keys.  The circuit is now extended.
524    When an onion router receives an EXTEND relay cell, it sends a CREATE
525    cell to the next onion router, with the enclosed onion skin as its
526    payload.  As special cases, if the extend cell includes a digest of
527    all zeroes, or asks to extend back to the relay that sent the extend
528    cell, the circuit will fail and be torn down. The initiating onion
529    router chooses some circID not yet used on the connection between the
530    two onion routers.  (But see section 5.1. above, concerning choosing
531    circIDs based on lexicographic order of nicknames.)
533    When an onion router receives a CREATE cell, if it already has a
534    circuit on the given connection with the given circID, it drops the
535    cell.  Otherwise, after receiving the CREATE cell, it completes the
536    DH handshake, and replies with a CREATED cell.  Upon receiving a
537    CREATED cell, an onion router packs it payload into an EXTENDED relay
538    cell (see section 5), and sends that cell up the circuit.  Upon
539    receiving the EXTENDED relay cell, the OP can retrieve g^y.
541    (As an optimization, OR implementations may delay processing onions
542    until a break in traffic allows time to do so without harming
543    network latency too greatly.)
545 5.3.1. Canonical connections
547    It is possible for an attacker to launch a man-in-the-middle attack
548    against a connection by telling OR Alice to extend to OR Bob at some
549    address X controlled by the attacker.  The attacker cannot read the
550    encrypted traffic, but the attacker is now in a position to count all
551    bytes sent between Alice and Bob (assuming Alice was not already
552    connected to Bob.)
554    To prevent this, when an OR we gets an extend request, it SHOULD use an
555    existing OR connection if the ID matches, and ANY of the following
556    conditions hold:
557        - The IP matches the requested IP.
558        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
559          because it was listed in the NETINFO cell.
560        - The OR knows that the IP of the connection it's using is canonical
561          because it was listed in the server descriptor.
563    [This is not implemented in Tor 0.2.0.23-rc.]
565 5.4. Tearing down circuits
567    Circuits are torn down when an unrecoverable error occurs along
568    the circuit, or when all streams on a circuit are closed and the
569    circuit's intended lifetime is over.  Circuits may be torn down
570    either completely or hop-by-hop.
572    To tear down a circuit completely, an OR or OP sends a DESTROY
573    cell to the adjacent nodes on that circuit, using the appropriate
574    direction's circID.
576    Upon receiving an outgoing DESTROY cell, an OR frees resources
577    associated with the corresponding circuit. If it's not the end of
578    the circuit, it sends a DESTROY cell for that circuit to the next OR
579    in the circuit. If the node is the end of the circuit, then it tears
580    down any associated edge connections (see section 6.1).
582    After a DESTROY cell has been processed, an OR ignores all data or
583    destroy cells for the corresponding circuit.
585    To tear down part of a circuit, the OP may send a RELAY_TRUNCATE cell
586    signaling a given OR (Stream ID zero).  That OR sends a DESTROY
587    cell to the next node in the circuit, and replies to the OP with a
588    RELAY_TRUNCATED cell.
590    When an unrecoverable error occurs along one connection in a
591    circuit, the nodes on either side of the connection should, if they
592    are able, act as follows:  the node closer to the OP should send a
593    RELAY_TRUNCATED cell towards the OP; the node farther from the OP
594    should send a DESTROY cell down the circuit.
596    The payload of a RELAY_TRUNCATED or DESTROY cell contains a single octet,
597    describing why the circuit is being closed or truncated.  When sending a
598    TRUNCATED or DESTROY cell because of another TRUNCATED or DESTROY cell,
599    the error code should be propagated.  The origin of a circuit always sets
600    this error code to 0, to avoid leaking its version.
602    The error codes are:
603      0 -- NONE            (No reason given.)
604      1 -- PROTOCOL        (Tor protocol violation.)
605      2 -- INTERNAL        (Internal error.)
606      3 -- REQUESTED       (A client sent a TRUNCATE command.)
607      4 -- HIBERNATING     (Not currently operating; trying to save bandwidth.)
608      5 -- RESOURCELIMIT   (Out of memory, sockets, or circuit IDs.)
609      6 -- CONNECTFAILED   (Unable to reach server.)
610      7 -- OR_IDENTITY     (Connected to server, but its OR identity was not
611                            as expected.)
612      8 -- OR_CONN_CLOSED  (The OR connection that was carrying this circuit
613                            died.)
614      9 -- FINISHED        (The circuit has expired for being dirty or old.)
615     10 -- TIMEOUT         (Circuit construction took too long)
616     11 -- DESTROYED       (The circuit was destroyed w/o client TRUNCATE)
617     12 -- NOSUCHSERVICE   (Request for unknown hidden service)
619 5.5. Routing relay cells
621    When an OR receives a RELAY cell, it checks the cell's circID and
622    determines whether it has a corresponding circuit along that
623    connection.  If not, the OR drops the RELAY cell.
625    Otherwise, if the OR is not at the OP edge of the circuit (that is,
626    either an 'exit node' or a non-edge node), it de/encrypts the payload
627    with the stream cipher, as follows:
628         'Forward' relay cell (same direction as CREATE):
629             Use Kf as key; decrypt.
630         'Back' relay cell (opposite direction from CREATE):
631             Use Kb as key; encrypt.
632    Note that in counter mode, decrypt and encrypt are the same operation.
634    The OR then decides whether it recognizes the relay cell, by
635    inspecting the payload as described in section 6.1 below.  If the OR
636    recognizes the cell, it processes the contents of the relay cell.
637    Otherwise, it passes the decrypted relay cell along the circuit if
638    the circuit continues.  If the OR at the end of the circuit
639    encounters an unrecognized relay cell, an error has occurred: the OR
640    sends a DESTROY cell to tear down the circuit.
642    When a relay cell arrives at an OP, the OP decrypts the payload
643    with the stream cipher as follows:
644          OP receives data cell:
645             For I=N...1,
646                 Decrypt with Kb_I.  If the payload is recognized (see
647                 section 6..1), then stop and process the payload.
649    For more information, see section 6 below.
651 6. Application connections and stream management
653 6.1. Relay cells
655    Within a circuit, the OP and the exit node use the contents of
656    RELAY packets to tunnel end-to-end commands and TCP connections
657    ("Streams") across circuits.  End-to-end commands can be initiated
658    by either edge; streams are initiated by the OP.
660    The payload of each unencrypted RELAY cell consists of:
661          Relay command           [1 byte]
662          'Recognized'            [2 bytes]
663          StreamID                [2 bytes]
664          Digest                  [4 bytes]
665          Length                  [2 bytes]
666          Data                    [CELL_LEN-14 bytes]
668    The relay commands are:
669          1 -- RELAY_BEGIN     [forward]
670          2 -- RELAY_DATA      [forward or backward]
671          3 -- RELAY_END       [forward or backward]
672          4 -- RELAY_CONNECTED [backward]
673          5 -- RELAY_SENDME    [forward or backward] [sometimes control]
674          6 -- RELAY_EXTEND    [forward]             [control]
675          7 -- RELAY_EXTENDED  [backward]            [control]
676          8 -- RELAY_TRUNCATE  [forward]             [control]
677          9 -- RELAY_TRUNCATED [backward]            [control]
678         10 -- RELAY_DROP      [forward or backward] [control]
679         11 -- RELAY_RESOLVE   [forward]
680         12 -- RELAY_RESOLVED  [backward]
681         13 -- RELAY_BEGIN_DIR [forward]
683         32..40 -- Used for hidden services; see rend-spec.txt.
685    Commands labelled as "forward" must only be sent by the originator
686    of the circuit. Commands labelled as "backward" must only be sent by
687    other nodes in the circuit back to the originator. Commands marked
688    as either can be sent either by the originator or other nodes.
690    The 'recognized' field in any unencrypted relay payload is always set
691    to zero; the 'digest' field is computed as the first four bytes of
692    the running digest of all the bytes that have been destined for
693    this hop of the circuit or originated from this hop of the circuit,
694    seeded from Df or Db respectively (obtained in section 5.2 above),
695    and including this RELAY cell's entire payload (taken with the digest
696    field set to zero).
698    When the 'recognized' field of a RELAY cell is zero, and the digest
699    is correct, the cell is considered "recognized" for the purposes of
700    decryption (see section 5.5 above).
702    (The digest does not include any bytes from relay cells that do
703    not start or end at this hop of the circuit. That is, it does not
704    include forwarded data. Therefore if 'recognized' is zero but the
705    digest does not match, the running digest at that node should
706    not be updated, and the cell should be forwarded on.)
708    All RELAY cells pertaining to the same tunneled stream have the
709    same stream ID.  StreamIDs are chosen arbitrarily by the OP.  RELAY
710    cells that affect the entire circuit rather than a particular
711    stream use a StreamID of zero -- they are marked in the table above
712    as "[control]" style cells. (Sendme cells are marked as "sometimes
713    control" because they can take include a StreamID or not depending
714    on their purpose -- see Section 7.)
716    The 'Length' field of a relay cell contains the number of bytes in
717    the relay payload which contain real payload data. The remainder of
718    the payload is padded with NUL bytes.
720    If the RELAY cell is recognized but the relay command is not
721    understood, the cell must be dropped and ignored. Its contents
722    still count with respect to the digests, though.
724 6.2. Opening streams and transferring data
726    To open a new anonymized TCP connection, the OP chooses an open
727    circuit to an exit that may be able to connect to the destination
728    address, selects an arbitrary StreamID not yet used on that circuit,
729    and constructs a RELAY_BEGIN cell with a payload encoding the address
730    and port of the destination host.  The payload format is:
732          ADDRESS | ':' | PORT | [00]
734    where  ADDRESS can be a DNS hostname, or an IPv4 address in
735    dotted-quad format, or an IPv6 address surrounded by square brackets;
736    and where PORT is a decimal integer between 1 and 65535, inclusive.
738    [What is the [00] for? -NM]
739    [It's so the payload is easy to parse out with string funcs -RD]
741    Upon receiving this cell, the exit node resolves the address as
742    necessary, and opens a new TCP connection to the target port.  If the
743    address cannot be resolved, or a connection can't be established, the
744    exit node replies with a RELAY_END cell.  (See 6.4 below.)
745    Otherwise, the exit node replies with a RELAY_CONNECTED cell, whose
746    payload is in one of the following formats:
747        The IPv4 address to which the connection was made [4 octets]
748        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
749     or
750        Four zero-valued octets [4 octets]
751        An address type (6)     [1 octet]
752        The IPv6 address to which the connection was made [16 octets]
753        A number of seconds (TTL) for which the address may be cached [4 octets]
754    [XXXX No version of Tor currently generates the IPv6 format.]
756    [Tor servers before 0.1.2.0 set the TTL field to a fixed value.  Later
757    versions set the TTL to the last value seen from a DNS server, and expire
758    their own cached entries after a fixed interval.  This prevents certain
759    attacks.]
761    The OP waits for a RELAY_CONNECTED cell before sending any data.
762    Once a connection has been established, the OP and exit node
763    package stream data in RELAY_DATA cells, and upon receiving such
764    cells, echo their contents to the corresponding TCP stream.
765    RELAY_DATA cells sent to unrecognized streams are dropped.
767    Relay RELAY_DROP cells are long-range dummies; upon receiving such
768    a cell, the OR or OP must drop it.
770 6.2.1. Opening a directory stream
772    If a Tor server is a directory server, it should respond to a
773    RELAY_BEGIN_DIR cell as if it had received a BEGIN cell requesting a
774    connection to its directory port.  RELAY_BEGIN_DIR cells ignore exit
775    policy, since the stream is local to the Tor process.
777    If the Tor server is not running a directory service, it should respond
778    with a REASON_NOTDIRECTORY RELAY_END cell.
780    Clients MUST generate an all-zero payload for RELAY_BEGIN_DIR cells,
781    and servers MUST ignore the payload.
783    [RELAY_BEGIN_DIR was not supported before Tor 0.1.2.2-alpha; clients
784    SHOULD NOT send it to routers running earlier versions of Tor.]
786 6.3. Closing streams
788    When an anonymized TCP connection is closed, or an edge node
789    encounters error on any stream, it sends a 'RELAY_END' cell along the
790    circuit (if possible) and closes the TCP connection immediately.  If
791    an edge node receives a 'RELAY_END' cell for any stream, it closes
792    the TCP connection completely, and sends nothing more along the
793    circuit for that stream.
795    The payload of a RELAY_END cell begins with a single 'reason' byte to
796    describe why the stream is closing, plus optional data (depending on
797    the reason.)  The values are:
799        1 -- REASON_MISC           (catch-all for unlisted reasons)
800        2 -- REASON_RESOLVEFAILED  (couldn't look up hostname)
801        3 -- REASON_CONNECTREFUSED (remote host refused connection) [*]
802        4 -- REASON_EXITPOLICY     (OR refuses to connect to host or port)
803        5 -- REASON_DESTROY        (Circuit is being destroyed)
804        6 -- REASON_DONE           (Anonymized TCP connection was closed)
805        7 -- REASON_TIMEOUT        (Connection timed out, or OR timed out
806                                    while connecting)
807        8 -- (unallocated) [**]
808        9 -- REASON_HIBERNATING    (OR is temporarily hibernating)
809       10 -- REASON_INTERNAL       (Internal error at the OR)
810       11 -- REASON_RESOURCELIMIT  (OR has no resources to fulfill request)
811       12 -- REASON_CONNRESET      (Connection was unexpectedly reset)
812       13 -- REASON_TORPROTOCOL    (Sent when closing connection because of
813                                    Tor protocol violations.)
814       14 -- REASON_NOTDIRECTORY   (Client sent RELAY_BEGIN_DIR to a
815                                    non-directory server.)
817    (With REASON_EXITPOLICY, the 4-byte IPv4 address or 16-byte IPv6 address
818    forms the optional data, along with a 4-byte TTL; no other reason
819    currently has extra data.)
821    OPs and ORs MUST accept reasons not on the above list, since future
822    versions of Tor may provide more fine-grained reasons.
824    [*] Older versions of Tor also send this reason when connections are
825        reset.
826    [**] Due to a bug in versions of Tor through 0095, error reason 8 must
827         remain allocated until that version is obsolete.
829    --- [The rest of this section describes unimplemented functionality.]
831    Because TCP connections can be half-open, we follow an equivalent
832    to TCP's FIN/FIN-ACK/ACK protocol to close streams.
834    An exit connection can have a TCP stream in one of three states:
835    'OPEN', 'DONE_PACKAGING', and 'DONE_DELIVERING'.  For the purposes
836    of modeling transitions, we treat 'CLOSED' as a fourth state,
837    although connections in this state are not, in fact, tracked by the
838    onion router.
840    A stream begins in the 'OPEN' state.  Upon receiving a 'FIN' from
841    the corresponding TCP connection, the edge node sends a 'RELAY_FIN'
842    cell along the circuit and changes its state to 'DONE_PACKAGING'.
843    Upon receiving a 'RELAY_FIN' cell, an edge node sends a 'FIN' to
844    the corresponding TCP connection (e.g., by calling
845    shutdown(SHUT_WR)) and changing its state to 'DONE_DELIVERING'.
847    When a stream in already in 'DONE_DELIVERING' receives a 'FIN', it
848    also sends a 'RELAY_FIN' along the circuit, and changes its state
849    to 'CLOSED'.  When a stream already in 'DONE_PACKAGING' receives a
850    'RELAY_FIN' cell, it sends a 'FIN' and changes its state to
851    'CLOSED'.
853    If an edge node encounters an error on any stream, it sends a
854    'RELAY_END' cell (if possible) and closes the stream immediately.
856 6.4. Remote hostname lookup
858    To find the address associated with a hostname, the OP sends a
859    RELAY_RESOLVE cell containing the hostname to be resolved with a nul
860    terminating byte. (For a reverse lookup, the OP sends a RELAY_RESOLVE
861    cell containing an in-addr.arpa address.) The OR replies with a
862    RELAY_RESOLVED cell containing a status byte, and any number of
863    answers. Each answer is of the form:
864        Type   (1 octet)
865        Length (1 octet)
866        Value  (variable-width)
867        TTL    (4 octets)
868    "Length" is the length of the Value field.
869    "Type" is one of:
870       0x00 -- Hostname
871       0x04 -- IPv4 address
872       0x06 -- IPv6 address
873       0xF0 -- Error, transient
874       0xF1 -- Error, nontransient
876     If any answer has a type of 'Error', then no other answer may be given.
878     The RELAY_RESOLVE cell must use a nonzero, distinct streamID; the
879     corresponding RELAY_RESOLVED cell must use the same streamID.  No stream
880     is actually created by the OR when resolving the name.
882 7. Flow control
884 7.1. Link throttling
886    Each client or relay should do appropriate bandwidth throttling to
887    keep its user happy.
889    Communicants rely on TCP's default flow control to push back when they
890    stop reading.
892    The mainline Tor implementation uses token buckets (one for reads,
893    one for writes) for the rate limiting.
895    Since 0.2.0.x, Tor has let the user specify an additional pair of
896    token buckets for "relayed" traffic, so people can deploy a Tor relay
897    with strict rate limiting, but also use the same Tor as a client. To
898    avoid partitioning concerns we combine both classes of traffic over a
899    given OR connection, and keep track of the last time we read or wrote
900    a high-priority (non-relayed) cell. If it's been less than N seconds
901    (currently N=30), we give the whole connection high priority, else we
902    give the whole connection low priority. We also give low priority
903    to reads and writes for connections that are serving directory
904    information. See proposal 111 for details.
906 7.2. Link padding
908    Link padding can be created by sending PADDING cells along the
909    connection; relay cells of type "DROP" can be used for long-range
910    padding.
912    Currently nodes are not required to do any sort of link padding or
913    dummy traffic. Because strong attacks exist even with link padding,
914    and because link padding greatly increases the bandwidth requirements
915    for running a node, we plan to leave out link padding until this
916    tradeoff is better understood.
918 7.3. Circuit-level flow control
920    To control a circuit's bandwidth usage, each OR keeps track of two
921    'windows', consisting of how many RELAY_DATA cells it is allowed to
922    originate (package for transmission), and how many RELAY_DATA cells
923    it is willing to consume (receive for local streams).  These limits
924    do not apply to cells that the OR receives from one host and relays
925    to another.
927    Each 'window' value is initially set to 1000 data cells
928    in each direction (cells that are not data cells do not affect
929    the window).  When an OR is willing to deliver more cells, it sends a
930    RELAY_SENDME cell towards the OP, with Stream ID zero.  When an OR
931    receives a RELAY_SENDME cell with stream ID zero, it increments its
932    packaging window.
934    Each of these cells increments the corresponding window by 100.
936    The OP behaves identically, except that it must track a packaging
937    window and a delivery window for every OR in the circuit.
939    An OR or OP sends cells to increment its delivery window when the
940    corresponding window value falls under some threshold (900).
942    If a packaging window reaches 0, the OR or OP stops reading from
943    TCP connections for all streams on the corresponding circuit, and
944    sends no more RELAY_DATA cells until receiving a RELAY_SENDME cell.
945 [this stuff is badly worded; copy in the tor-design section -RD]
947 7.4. Stream-level flow control
949    Edge nodes use RELAY_SENDME cells to implement end-to-end flow
950    control for individual connections across circuits. Similarly to
951    circuit-level flow control, edge nodes begin with a window of cells
952    (500) per stream, and increment the window by a fixed value (50)
953    upon receiving a RELAY_SENDME cell. Edge nodes initiate RELAY_SENDME
954    cells when both a) the window is <= 450, and b) there are less than
955    ten cell payloads remaining to be flushed at that edge.
957 A.1. Differences between spec and implementation
959 - The current specification requires all ORs to have IPv4 addresses, but
960   allows servers to exit and resolve to IPv6 addresses, and to declare IPv6
961   addresses in their exit policies.  The current codebase has no IPv6
962   support at all.