Merge branch 'remove-distrust-csprng-advice' into 'main'
[torspec.git] / attic / text_formats / path-spec.txt
blob33d50e5ec82076ef6ed9b06746f631f46b917cf9
2                            Tor Path Specification
4                               Roger Dingledine
5                                Nick Mathewson
7 Note: This is an attempt to specify Tor as currently implemented.  Future
8 versions of Tor will implement improved algorithms.
10 This document tries to cover how Tor chooses to build circuits and assign
11 streams to circuits.  Other implementations MAY take other approaches, but
12 implementors should be aware of the anonymity and load-balancing implications
13 of their choices.
15                     THIS SPEC ISN'T DONE YET.
17       The key words "MUST", "MUST NOT", "REQUIRED", "SHALL", "SHALL
18       NOT", "SHOULD", "SHOULD NOT", "RECOMMENDED",  "MAY", and
19       "OPTIONAL" in this document are to be interpreted as described in
20       RFC 2119.
22 Tables of Contents
24     1. General operation
25         1.1. Terminology
26         1.2. A relay's bandwidth
27     2. Building circuits
28         2.1. When we build
29             2.1.0. We don't build circuits until we have enough directory info
30             2.1.1. Clients build circuits preemptively
31             2.1.2. Clients build circuits on demand
32             2.1.3. Relays build circuits for testing reachability and bandwidth
33             2.1.4. Hidden-service circuits
34             2.1.5. Rate limiting of failed circuits
35             2.1.6. When to tear down circuits
36         2.2. Path selection and constraints
37             2.2.1. Choosing an exit
38             2.2.2. User configuration
39         2.3. Cannibalizing circuits
40         2.4. Learning when to give up ("timeout") on circuit construction
41             2.4.1 Distribution choice and parameter estimation
42             2.4.2. How much data to record
43             2.4.3. How to record timeouts
44             2.4.4. Detecting Changing Network Conditions
45             2.4.5. Consensus parameters governing behavior
46             2.4.6. Consensus parameters governing behavior
47         2.5. Handling failure
48     3. Attaching streams to circuits
49     4. Hidden-service related circuits
50     5. Guard nodes
51         5.1. How consensus bandwidth weights factor into entry guard selection
52     6. Server descriptor purposes
53     7. Detecting route manipulation by Guard nodes (Path Bias)
54         7.1. Measuring path construction success rates
55         7.2. Measuring path usage success rates
56         7.3. Scaling success counts
57         7.4. Parametrization
58         7.5. Known barriers to enforcement
59     X. Old notes
60     X.1. Do we actually do this?
61     X.2. A thing we could do to deal with reachability.
62     X.3. Some stuff that worries me about entry guards. 2006 Jun, Nickm.
64 1. General operation
66    Tor begins building circuits as soon as it has enough directory
67    information to do so (see section 5 of dir-spec.txt).  Some circuits are
68    built preemptively because we expect to need them later (for user
69    traffic), and some are built because of immediate need (for user traffic
70    that no current circuit can handle, for testing the network or our
71    reachability, and so on).
73   [Newer versions of Tor (0.2.6.2-alpha and later):
74    If the consensus contains Exits (the typical case), Tor will build both
75    exit and internal circuits. When bootstrap completes, Tor will be ready
76    to handle an application requesting an exit circuit to services like the
77    World Wide Web.
79    If the consensus does not contain Exits, Tor will only build internal
80    circuits. In this case, earlier statuses will have included "internal"
81    as indicated above. When bootstrap completes, Tor will be ready to handle
82    an application requesting an internal circuit to hidden services at
83    ".onion" addresses.
85    If a future consensus contains Exits, exit circuits may become available.]
87    When a client application creates a new stream (by opening a SOCKS
88    connection or launching a resolve request), we attach it to an appropriate
89    open circuit if one exists, or wait if an appropriate circuit is
90    in-progress. We launch a new circuit only
91    if no current circuit can handle the request.  We rotate circuits over
92    time to avoid some profiling attacks.
94    To build a circuit, we choose all the nodes we want to use, and then
95    construct the circuit.  Sometimes, when we want a circuit that ends at a
96    given hop, and we have an appropriate unused circuit, we "cannibalize" the
97    existing circuit and extend it to the new terminus.
99    These processes are described in more detail below.
101    This document describes Tor's automatic path selection logic only; path
102    selection can be overridden by a controller (with the EXTENDCIRCUIT and
103    ATTACHSTREAM commands).  Paths constructed through these means may
104    violate some constraints given below.
106 1.1. Terminology
108    A "path" is an ordered sequence of nodes, not yet built as a circuit.
110    A "clean" circuit is one that has not yet been used for any traffic.
112    A "fast" or "stable" or "valid" node is one that has the 'Fast' or
113    'Stable' or 'Valid' flag
114    set respectively, based on our current directory information.  A "fast"
115    or "stable" circuit is one consisting only of "fast" or "stable" nodes.
117    In an "exit" circuit, the final node is chosen based on waiting stream
118    requests if any, and in any case it avoids nodes with exit policy of
119    "reject *:*". An "internal" circuit, on the other hand, is one where
120    the final node is chosen just like a middle node (ignoring its exit
121    policy).
123    A "request" is a client-side stream or DNS resolve that needs to be
124    served by a circuit.
126    A "pending" circuit is one that we have started to build, but which has
127    not yet completed.
129    A circuit or path "supports" a request if it is okay to use the
130    circuit/path to fulfill the request, according to the rules given below.
131    A circuit or path "might support" a request if some aspect of the request
132    is unknown (usually its target IP), but we believe the path probably
133    supports the request according to the rules given below.
135 1.2. A relay's bandwidth
137    Old versions of Tor did not report bandwidths in network status
138    documents, so clients had to learn them from the routers' advertised
139    relay descriptors.
141    For versions of Tor prior to 0.2.1.17-rc, everywhere below where we
142    refer to a relay's "bandwidth", we mean its clipped advertised
143    bandwidth, computed by taking the smaller of the 'rate' and
144    'observed' arguments to the "bandwidth" element in the relay's
145    descriptor.  If a router's advertised bandwidth is greater than
146    MAX_BELIEVABLE_BANDWIDTH (currently 10 MB/s), we clipped to that
147    value.
149    For more recent versions of Tor, we take the bandwidth value declared
150    in the consensus, and fall back to the clipped advertised bandwidth
151    only if the consensus does not have bandwidths listed.
153 2. Building circuits
155 2.1. When we build
157 2.1.0. We don't build circuits until we have enough directory info
159    There's a class of possible attacks where our directory servers
160    only give us information about the relays that they would like us
161    to use.  To prevent this attack, we don't build multi-hop
162    circuits for real traffic (like those in 2.1.1, 2.1.2, 2.1.4
163    below) until we have enough directory information to be
164    reasonably confident this attack isn't being done to us.
166    Here, "enough" directory information is defined as:
168       * Having a consensus that's been valid at some point in the
169         last REASONABLY_LIVE_TIME interval (24 hours).
171       * Having enough descriptors that we could build at least some
172         fraction F of all bandwidth-weighted paths, without taking
173         ExitNodes/EntryNodes/etc into account.
175         (F is set by the PathsNeededToBuildCircuits option,
176         defaulting to the 'min_paths_for_circs_pct' consensus
177         parameter, with a final default value of 60%.)
179       * Having enough descriptors that we could build at least some
180         fraction F of all bandwidth-weighted paths, _while_ taking
181         ExitNodes/EntryNodes/etc into account.
183         (F is as above.)
185       * Having a descriptor for every one of the first
186         NUM_USABLE_PRIMARY_GUARDS guards among our primary guards. (see
187         guard-spec.txt)
189    We define the "fraction of bandwidth-weighted paths" as the product of
190    these three fractions.
192       * The fraction of descriptors that we have for nodes with the Guard
193         flag, weighted by their bandwidth for the guard position.
194       * The fraction of descriptors that we have for all nodes,
195         weighted by their bandwidth for the middle position.
196       * The fraction of descriptors that we have for nodes with the Exit
197         flag, weighted by their bandwidth for the exit position.
199    If the consensus has zero weighted bandwidth for a given kind of
200    relay (Guard, Middle, or Exit), Tor instead uses the fraction of relays
201    for which it has the descriptor (not weighted by bandwidth at all).
203    If the consensus lists zero exit-flagged relays, Tor instead uses the
204    fraction of middle relays.
207 2.1.1. Clients build circuits preemptively
209    When running as a client, Tor tries to maintain at least a certain
210    number of clean circuits, so that new streams can be handled
211    quickly.  To increase the likelihood of success, Tor tries to
212    predict what circuits will be useful by choosing from among nodes
213    that support the ports we have used in the recent past (by default
214    one hour). Specifically, on startup Tor tries to maintain one clean
215    fast exit circuit that allows connections to port 80, and at least
216    two fast clean stable internal circuits in case we get a resolve
217    request or hidden service request (at least three if we _run_ a
218    hidden service).
220    After that, Tor will adapt the circuits that it preemptively builds
221    based on the requests it sees from the user: it tries to have two fast
222    clean exit circuits available for every port seen within the past hour
223    (each circuit can be adequate for many predicted ports -- it doesn't
224    need two separate circuits for each port), and it tries to have the
225    above internal circuits available if we've seen resolves or hidden
226    service activity within the past hour. If there are 12 or more clean
227    circuits open, it doesn't open more even if it has more predictions.
229    Only stable circuits can "cover" a port that is listed in the
230    LongLivedPorts config option. Similarly, hidden service requests
231    to ports listed in LongLivedPorts make us create stable internal
232    circuits.
234    Note that if there are no requests from the user for an hour, Tor
235    will predict no use and build no preemptive circuits.
237    The Tor client SHOULD NOT store its list of predicted requests to a
238    persistent medium.
240 2.1.2. Clients build circuits on demand
242    Additionally, when a client request exists that no circuit (built or
243    pending) might support, we create a new circuit to support the request.
244    For exit connections, we pick an exit node that will handle the
245    most pending requests (choosing arbitrarily among ties), launch a
246    circuit to end there, and repeat until every unattached request
247    might be supported by a pending or built circuit. For internal
248    circuits, we pick an arbitrary acceptable path, repeating as needed.
250    Clients consider a circuit to become "dirty" as soon as a stream is
251    attached to it, or some other request is performed over the circuit.
252    If a circuit has been "dirty" for at least MaxCircuitDirtiness seconds,
253    new circuits may not be attached to it.
255    In some cases we can reuse an already established circuit if it's
256    clean; see Section 2.3 (cannibalizing circuits) for details.
258 2.1.3. Relays build circuits for testing reachability and bandwidth
260    Tor relays test reachability of their ORPort once they have
261    successfully built a circuit (on startup and whenever their IP address
262    changes). They build an ordinary fast internal circuit with themselves
263    as the last hop. As soon as any testing circuit succeeds, the Tor
264    relay decides it's reachable and is willing to publish a descriptor.
266    We launch multiple testing circuits (one at a time), until we
267    have NUM_PARALLEL_TESTING_CIRC (4) such circuits open. Then we
268    do a "bandwidth test" by sending a certain number of relay drop
269    cells down each circuit: BandwidthRate * 10 / CELL_NETWORK_SIZE
270    total cells divided across the four circuits, but never more than
271    CIRCWINDOW_START (1000) cells total. This exercises both outgoing and
272    incoming bandwidth, and helps to jumpstart the observed bandwidth
273    (see dir-spec.txt).
275    Tor relays also test reachability of their DirPort once they have
276    established a circuit, but they use an ordinary exit circuit for
277    this purpose.
279 2.1.4. Hidden-service circuits
281    See section 4 below.
283 2.1.5. Rate limiting of failed circuits
285    If we fail to build a circuit N times in a X second period (see Section
286    2.3 for how this works), we stop building circuits until the X seconds
287    have elapsed.
288    XXXX
290 2.1.6. When to tear down circuits
292    Clients should tear down circuits (in general) only when those circuits
293    have no streams on them.  Additionally, clients should tear-down
294    stream-less circuits only under one of the following conditions:
296      - The circuit has never had a stream attached, and it was created too
297        long in the past (based on CircuitsAvailableTimeout or
298        cbtlearntimeout, depending on timeout estimate status).
300      - The circuit is dirty (has had a stream attached), and it has been
301        dirty for at least MaxCircuitDirtiness.
303 2.2. Path selection and constraints
305    We choose the path for each new circuit before we build it.  We choose the
306    exit node first, followed by the other nodes in the circuit, front to
307    back. (In other words, for a 3-hop circuit, we first pick hop 3,
308    then hop 1, then hop 2.)  All paths we generate obey the following
309    constraints:
311      - We do not choose the same router twice for the same path.
312      - We do not choose any router in the same family as another in the same
313        path. (Two routers are in the same family if each one lists the other
314        in the "family" entries of its descriptor.)
315      - We do not choose more than one router in a given /16 subnet
316        (unless EnforceDistinctSubnets is 0).
317      - We don't choose any non-running or non-valid router unless we have
318        been configured to do so. By default, we are configured to allow
319        non-valid routers in "middle" and "rendezvous" positions.
320      - If we're using Guard nodes, the first node must be a Guard (see 5
321        below)
322      - XXXX Choosing the length
324    For "fast" circuits, we only choose nodes with the Fast flag. For
325    non-"fast" circuits, all nodes are eligible.
327    For all circuits, we weight node selection according to router bandwidth.
329    We also weight the bandwidth of Exit and Guard flagged nodes depending on
330    the fraction of total bandwidth that they make up and depending upon the
331    position they are being selected for.
333    These weights are published in the consensus, and are computed as described
334    in Section "Computing Bandwidth Weights" of dir-spec.txt. They are:
336       Wgg - Weight for Guard-flagged nodes in the guard position
337       Wgm - Weight for non-flagged nodes in the guard Position
338       Wgd - Weight for Guard+Exit-flagged nodes in the guard Position
340       Wmg - Weight for Guard-flagged nodes in the middle Position
341       Wmm - Weight for non-flagged nodes in the middle Position
342       Wme - Weight for Exit-flagged nodes in the middle Position
343       Wmd - Weight for Guard+Exit flagged nodes in the middle Position
345       Weg - Weight for Guard flagged nodes in the exit Position
346       Wem - Weight for non-flagged nodes in the exit Position
347       Wee - Weight for Exit-flagged nodes in the exit Position
348       Wed - Weight for Guard+Exit-flagged nodes in the exit Position
350       Wgb - Weight for BEGIN_DIR-supporting Guard-flagged nodes
351       Wmb - Weight for BEGIN_DIR-supporting non-flagged nodes
352       Web - Weight for BEGIN_DIR-supporting Exit-flagged nodes
353       Wdb - Weight for BEGIN_DIR-supporting Guard+Exit-flagged nodes
355       Wbg - Weight for Guard+Exit-flagged nodes for BEGIN_DIR requests
356       Wbm - Weight for Guard+Exit-flagged nodes for BEGIN_DIR requests
357       Wbe - Weight for Guard+Exit-flagged nodes for BEGIN_DIR requests
358       Wbd - Weight for Guard+Exit-flagged nodes for BEGIN_DIR requests
360    If any of those weights is malformed or not present in a consensus,
361    clients proceed with the regular path selection algorithm setting
362    the weights to the default value of 10000.
364    Additionally, we may be building circuits with one or more requests in
365    mind.  Each kind of request puts certain constraints on paths:
367      - All service-side introduction circuits and all rendezvous paths
368        should be Stable.
369      - All connection requests for connections that we think will need to
370        stay open a long time require Stable circuits.  Currently, Tor decides
371        this by examining the request's target port, and comparing it to a
372        list of "long-lived" ports. (Default: 21, 22, 706, 1863, 5050,
373        5190, 5222, 5223, 6667, 6697, 8300.)
374      - DNS resolves require an exit node whose exit policy is not equivalent
375        to "reject *:*".
376      - Reverse DNS resolves require a version of Tor with advertised eventdns
377        support (available in Tor 0.1.2.1-alpha-dev and later).
378      - All connection requests require an exit node whose exit policy
379        supports their target address and port (if known), or which "might
380        support it" (if the address isn't known).  See 2.2.1.
381      - Rules for Fast? XXXXX
383 2.2.1. Choosing an exit
385    If we know what IP address we want to connect to or resolve, we can
386    trivially tell whether a given router will support it by simulating
387    its declared exit policy.
389    Because we often connect to addresses of the form hostname:port, we do not
390    always know the target IP address when we select an exit node.  In these
391    cases, we need to pick an exit node that "might support" connections to a
392    given address port with an unknown address.  An exit node "might support"
393    such a connection if any clause that accepts any connections to that port
394    precedes all clauses (if any) that reject all connections to that port.
396    Unless requested to do so by the user, we never choose an exit node
397    flagged as "BadExit" by more than half of the authorities who advertise
398    themselves as listing bad exits.
400 2.2.2. User configuration
402    Users can alter the default behavior for path selection with configuration
403    options.
405    - If "ExitNodes" is provided, then every request requires an exit node on
406      the ExitNodes list.  (If a request is supported by no nodes on that list,
407      and StrictExitNodes is false, then Tor treats that request as if
408      ExitNodes were not provided.)
410    - "EntryNodes" and "StrictEntryNodes" behave analogously.
412    - If a user tries to connect to or resolve a hostname of the form
413      <target>.<servername>.exit, the request is rewritten to a request for
414      <target>, and the request is only supported by the exit whose nickname
415      or fingerprint is <servername>.
417    - When set, "HSLayer2Nodes" and "HSLayer3Nodes" relax Tor's path
418      restrictions to allow nodes in the same /16 and node family to reappear
419      in the path. They also allow the guard node to be chosen as the RP, IP,
420      and HSDIR, and as the hop before those positions.
422 2.3. Cannibalizing circuits
424    If we need a circuit and have a clean one already established, in
425    some cases we can adapt the clean circuit for our new
426    purpose. Specifically,
428    For hidden service interactions, we can "cannibalize" a clean internal
429    circuit if one is available, so we don't need to build those circuits
430    from scratch on demand.
432    We can also cannibalize clean circuits when the client asks to exit
433    at a given node -- either via the ".exit" notation or because the
434    destination is running at the same location as an exit node.
436 2.4. Learning when to give up ("timeout") on circuit construction
438    Since version 0.2.2.8-alpha, Tor clients attempt to learn when to give
439    up on circuits based on network conditions.
441 2.4.1. Distribution choice
443    Based on studies of build times, we found that the distribution of
444    circuit build times appears to be a Frechet distribution (and a multi-modal
445    Frechet distribution, if more than one guard or bridge is used). However,
446    estimators and quantile functions of the Frechet distribution are difficult
447    to work with and slow to converge. So instead, since we are only interested
448    in the accuracy of the tail, clients approximate the tail of the multi-modal
449    distribution with a single Pareto curve.
451 2.4.2. How much data to record
453    From our observations, the minimum number of circuit build times for a
454    reasonable fit appears to be on the order of 100. However, to keep a
455    good fit over the long term, clients store 1000 most recent circuit build
456    times in a circular array.
458    These build times only include the times required to build three-hop
459    circuits, and the times required to build the first three hops of circuits
460    with more than three hops.  Circuits of fewer than three hops are not
461    recorded, and hops past the third are not recorded.
462    
463    The Tor client should build test circuits at a rate of one every 'cbttestfreq'
464    (10 seconds) until 'cbtmincircs' (100 circuits) are built, with a maximum of
465    'cbtmaxopencircs' (default: 10) circuits open at once. This allows a fresh
466    Tor to have a CircuitBuildTimeout estimated within 30 minutes after install
467    or network change (see section 2.4.5 below).
469    Timeouts are stored on disk in a histogram of 10ms bin width, the same
470    width used to calculate the Xm value above. The timeouts recorded in the
471    histogram must be shuffled after being read from disk, to preserve a
472    proper expiration of old values after restart.
474    Thus, some build time resolution is lost during restart. Implementations may
475    choose a different persistence mechanism than this histogram, but be aware
476    that build time binning is still needed for parameter estimation.
478 2.4.3. Parameter estimation
480    Once 'cbtmincircs' build times are recorded, Tor clients update the
481    distribution parameters and recompute the timeout every circuit completion
482    (though see section 2.4.5 for when to pause and reset timeout due to
483    too many circuits timing out).
485    Tor clients calculate the parameters for a Pareto distribution fitting the
486    data using the maximum likelihood estimator. For derivation, see:
487    https://en.wikipedia.org/wiki/Pareto_distribution#Estimation_of_parameters
489    Because build times are not a true Pareto distribution, we alter how Xm is
490    computed. In a max likelihood estimator, the mode of the distribution is
491    used directly as Xm.
493    Instead of using the mode of discrete build times directly, Tor clients
494    compute the Xm parameter using the weighted average of the midpoints
495    of the 'cbtnummodes' (10) most frequently occurring 10ms histogram bins.
496    Ties are broken in favor of earlier bins (that is, in favor of bins
497    corresponding to shorter build times).
499    (The use of 10 modes was found to minimize error from the selected
500    cbtquantile, with 10ms bins for quantiles 60-80, compared to many other
501    heuristics).
503    To avoid ln(1.0+epsilon) precision issues, use log laws to rewrite the
504    estimator for 'alpha' as the sum of logs followed by subtraction, rather
505    than multiplication and division:
507        alpha = n/(Sum_n{ln(MAX(Xm, x_i))} - n*ln(Xm))
509    In this, n is the total number of build times that have completed, x_i is
510    the ith recorded build time, and Xm is the modes of x_i as above.
512    All times below Xm are counted as having the Xm value via the MAX(),
513    because in Pareto estimators, Xm is supposed to be the lowest value.
514    However, since clients use mode averaging to estimate Xm, there can be
515    values below our Xm. Effectively, the Pareto estimator then treats that
516    everything smaller than Xm happened at Xm. One can also see that if
517    clients did not do this, alpha could underflow to become negative, which
518    results in an exponential curve, not a Pareto probability distribution.
520    The timeout itself is calculated by using the Pareto Quantile function (the
521    inverted CDF) to give us the value on the CDF such that 80% of the mass
522    of the distribution is below the timeout value (parameter 'cbtquantile').
524    The Pareto Quantile Function (inverse CDF) is:
526       F(q) = Xm/((1.0-q)^(1.0/alpha))
528    Thus, clients obtain the circuit build timeout for 3-hop circuits by
529    computing:
531      timeout_ms = F(0.8)    # 'cbtquantile' == 0.8
533    With this, we expect that the Tor client will accept the fastest 80% of the
534    total number of paths on the network.
536    Clients obtain the circuit close time to completely abandon circuits as:
538      close_ms = F(0.99)     # 'cbtclosequantile' == 0.99
540    To avoid waiting an unreasonably long period of time for circuits that
541    simply have relays that are down, Tor clients cap timeout_ms at the max
542    build time actually observed so far, and cap close_ms at twice this max,
543    but at least 60 seconds:
545      timeout_ms = MIN(timeout_ms, max_observed_timeout)
546      close_ms = MAX(MIN(close_ms, 2*max_observed_timeout), 'cbtinitialtimeout')
548 2.4.3. Calculating timeouts thresholds for circuits of different lengths
550    The timeout_ms and close_ms estimates above are good only for 3-hop
551    circuits, since only 3-hop circuits are recorded in the list of build
552    times.
554    To calculate the appropriate timeouts and close timeouts for circuits of
555    other lengths, the client multiples the timeout_ms and close_ms values
556    by a scaling factor determined by the number of communication hops
557    needed to build their circuits:
559    timeout_ms[hops=n] = timeout_ms * Actions(N) / Actions(3)
561    close_ms[hops=n] = close_ms * Actions(N) / Actions(3)
563        where Actions(N) = N * (N + 1) / 2.
565    To calculate timeouts for operations other than circuit building,
566    the client should add X to Actions(N) for every round-trip communication
567    required with the Xth hop.
569 2.4.4. How to record timeouts
571    Pareto estimators begin to lose their accuracy if the tail is omitted.
572    Hence, Tor clients actually calculate two timeouts: a usage timeout, and a
573    close timeout.
575    Circuits that pass the usage timeout are marked as measurement circuits,
576    and are allowed to continue to build until the close timeout corresponding
577    to the point 'cbtclosequantile' (default 99) on the Pareto curve, or 60
578    seconds, whichever is greater.
580    The actual completion times for these measurement circuits should be
581    recorded.
583    Implementations should completely abandon a circuit and ignore the circuit
584    if the total build time exceeds the close threshold. Such closed circuits
585    should be ignored, as this typically means one of the relays in the path is
586    offline.
588 2.4.5. Detecting Changing Network Conditions
590    Tor clients attempt to detect both network connectivity loss and drastic
591    changes in the timeout characteristics.
593    To detect changing network conditions, clients keep a history of
594    the timeout or non-timeout status of the past 'cbtrecentcount' circuits
595    (20 circuits) that successfully completed at least one hop. If more than
596    90% of these circuits timeout, the client discards all buildtimes history,
597    resets the timeout to 'cbtinitialtimeout' (60 seconds), and then begins
598    recomputing the timeout.
600    If the timeout was already at least `cbtinitialtimeout`,
601    the client doubles the timeout.
603    The records here (of how many circuits succeeded or failed among the most
604    recent 'cbrrecentcount') are not stored as persistent state.  On reload,
605    we start with a new, empty state.
607 2.4.6. Consensus parameters governing behavior
609    Clients that implement circuit build timeout learning should obey the
610    following consensus parameters that govern behavior, in order to allow
611    us to handle bugs or other emergent behaviors due to client circuit
612    construction. If these parameters are not present in the consensus,
613    the listed default values should be used instead.
615       cbtdisabled
616         Default: 0
617         Min: 0
618         Max: 1
619         Effect: If 1, all CircuitBuildTime learning code should be
620                 disabled and history should be discarded. For use in
621                 emergency situations only.
623       cbtnummodes
624         Default: 10
625         Min: 1
626         Max: 20
627         Effect: This value governs how many modes to use in the weighted
628         average calculation of Pareto parameter Xm. Selecting Xm as the
629         average of multiple modes improves accuracy of the Pareto tail
630         for quantile cutoffs from 60-80% (see cbtquantile).
632       cbtrecentcount
633         Default: 20
634         Min: 3
635         Max: 1000
636         Effect: This is the number of circuit build outcomes (success vs
637                 timeout) to keep track of for the following option.
639       cbtmaxtimeouts
640         Default: 18
641         Min: 3
642         Max: 10000
643         Effect: When this many timeouts happen in the last 'cbtrecentcount'
644                 circuit attempts, the client should discard all of its
645                 history and begin learning a fresh timeout value.
647                 Note that if this parameter's value is greater than the value
648                 of 'cbtrecentcount', then the history will never be
649                 discarded because of this feature.
651       cbtmincircs
652         Default: 100
653         Min: 1
654         Max: 10000
655         Effect: This is the minimum number of circuits to build before
656                 computing a timeout.
658                 Note that if this parameter's value is higher than 1000 (the
659                 number of time observations that a client keeps in its
660                 circular buffer), circuit build timeout calculation is
661                 effectively disabled, and the default timeouts are used
662                 indefinitely.
664       cbtquantile
665         Default: 80
666         Min: 10
667         Max: 99
668         Effect: This is the position on the quantile curve to use to set the
669                 timeout value. It is a percent (10-99).
671       cbtclosequantile
672         Default: 99
673         Min: Value of cbtquantile parameter
674         Max: 99
675         Effect: This is the position on the quantile curve to use to set the
676                 timeout value to use to actually close circuits. It is a
677                 percent (0-99).
679       cbttestfreq
680         Default: 10
681         Min: 1
682         Max: 2147483647 (INT32_MAX)
683         Effect: Describes how often in seconds to build a test circuit to
684                 gather timeout values. Only applies if less than 'cbtmincircs'
685                 have been recorded.
687       cbtmintimeout
688         Default: 10
689         Min: 10
690         Max: 2147483647 (INT32_MAX)
691         Effect: This is the minimum allowed timeout value in milliseconds.
693       cbtinitialtimeout
694         Default: 60000
695         Min: Value of cbtmintimeout
696         Max: 2147483647 (INT32_MAX)
697         Effect: This is the timeout value to use before we have enough data
698                 to compute a timeout, in milliseconds.  If we do not have
699                 enough data to compute a timeout estimate (see cbtmincircs),
700                 then we use this interval both for the close timeout and the
701                 abandon timeout.
703       cbtlearntimeout
704         Default: 180
705         Min: 10
706         Max: 60000
707         Effect: This is how long idle circuits will be kept open while cbt is
708                 learning a new timeout value.
710       cbtmaxopencircs
711         Default: 10
712         Min: 0
713         Max: 14
714         Effect: This is the maximum number of circuits that can be open at
715                 at the same time during the circuit build time learning phase.
717 2.5. Handling failure
719    If an attempt to extend a circuit fails (either because the first create
720    failed or a subsequent extend failed) then the circuit is torn down and is
721    no longer pending.  (XXXX really?)  Requests that might have been
722    supported by the pending circuit thus become unsupported, and a new
723    circuit needs to be constructed.
725    If a stream "begin" attempt fails with an EXITPOLICY error, we
726    decide that the exit node's exit policy is not correctly advertised,
727    so we treat the exit node as if it were a non-exit until we retrieve
728    a fresh descriptor for it.
730    Excessive amounts of either type of failure can indicate an
731    attack on anonymity. See section 7 for how excessive failure is handled.
733 3. Attaching streams to circuits
735    When a circuit that might support a request is built, Tor tries to attach
736    the request's stream to the circuit and sends a BEGIN, BEGIN_DIR,
737    or RESOLVE relay
738    cell as appropriate.  If the request completes unsuccessfully, Tor
739    considers the reason given in the CLOSE relay cell. [XXX yes, and?]
742    After a request has remained unattached for SocksTimeout (2 minutes
743    by default), Tor abandons the attempt and signals an error to the
744    client as appropriate (e.g., by closing the SOCKS connection).
746    XXX Timeouts and when Tor auto-retries.
748     * What stream-end-reasons are appropriate for retrying.
750    If no reply to BEGIN/RESOLVE, then the stream will timeout and fail.
752 4. Hidden-service related circuits
754   XXX Tracking expected hidden service use (client-side and hidserv-side)
756 5. Guard nodes
758   We use Guard nodes (also called "helper nodes" in the research
759   literature) to prevent certain profiling attacks. For an overview of
760   our Guard selection algorithm -- which has grown rather complex -- see
761   guard-spec.txt.
763 5.1. How consensus bandwidth weights factor into entry guard selection
765   When weighting a list of routers for choosing an entry guard, the following
766   consensus parameters (from the "bandwidth-weights" line) apply:
768       Wgg - Weight for Guard-flagged nodes in the guard position
769       Wgm - Weight for non-flagged nodes in the guard Position
770       Wgd - Weight for Guard+Exit-flagged nodes in the guard Position
771       Wgb - Weight for BEGIN_DIR-supporting Guard-flagged nodes
772       Wmb - Weight for BEGIN_DIR-supporting non-flagged nodes
773       Web - Weight for BEGIN_DIR-supporting Exit-flagged nodes
774       Wdb - Weight for BEGIN_DIR-supporting Guard+Exit-flagged nodes
776   Please see "bandwidth-weights" in ยง3.4.1 of dir-spec.txt for more in depth
777   descriptions of these parameters.
779   If a router has been marked as both an entry guard and an exit, then we
780   prefer to use it more, with our preference for doing so (roughly) linearly
781   increasing w.r.t. the router's non-guard bandwidth and bandwidth weight
782   (calculated without taking the guard flag into account).  From proposal
783   #236:
785     |
786     | Let Wpf denote the weight from the 'bandwidth-weights' line a
787     | client would apply to N for position p if it had the guard
788     | flag, Wpn the weight if it did not have the guard flag, and B the
789     | measured bandwidth of N in the consensus.  Then instead of choosing
790     | N for position p proportionally to Wpf*B or Wpn*B, clients should
791     | choose N proportionally to F*Wpf*B + (1-F)*Wpn*B.
793   where F is the weight as calculated using the above parameters.
795 6. Server descriptor purposes
797   There are currently three "purposes" supported for server descriptors:
798   general, controller, and bridge. Most descriptors are of type general
799   -- these are the ones listed in the consensus, and the ones fetched
800   and used in normal cases.
802   Controller-purpose descriptors are those delivered by the controller
803   and labelled as such: they will be kept around (and expire like
804   normal descriptors), and they can be used by the controller in its
805   CIRCUITEXTEND commands. Otherwise they are ignored by Tor when it
806   chooses paths.
808   Bridge-purpose descriptors are for routers that are used as bridges. See
809   doc/design-paper/blocking.pdf for more design explanation, or proposal
810   125 for specific details. Currently bridge descriptors are used in place
811   of normal entry guards, for Tor clients that have UseBridges enabled.
813 7. Detecting route manipulation by Guard nodes (Path Bias)
815   The Path Bias defense is designed to defend against a type of route
816   capture where malicious Guard nodes deliberately fail or choke circuits
817   that extend to non-colluding Exit nodes to maximize their network
818   utilization in favor of carrying only compromised traffic.
820   In the extreme, the attack allows an adversary that carries c/n
821   of the network capacity to deanonymize c/n of the network
822   connections, breaking the O((c/n)^2) property of Tor's original
823   threat model. It also allows targeted attacks aimed at monitoring
824   the activity of specific users, bridges, or Guard nodes.
826   There are two points where path selection can be manipulated:
827   during construction, and during usage. Circuit construction
828   can be manipulated by inducing circuit failures during circuit
829   extend steps, which causes the Tor client to transparently retry
830   the circuit construction with a new path. Circuit usage can be
831   manipulated by abusing the stream retry features of Tor (for
832   example by withholding stream attempt responses from the client
833   until the stream timeout has expired), at which point the tor client
834   will also transparently retry the stream on a new path.
836   The defense as deployed therefore makes two independent sets of
837   measurements of successful path use: one during circuit construction,
838   and one during circuit usage.
840   The intended behavior is for clients to ultimately disable the use
841   of Guards responsible for excessive circuit failure of either type
842   (see section 7.4); however known issues with the Tor network currently
843   restrict the defense to being informational only at this stage (see
844   section 7.5).
846 7.1. Measuring path construction success rates
848   Clients maintain two counts for each of their guards: a count of the
849   number of times a circuit was extended to at least two hops through that
850   guard, and a count of the number of circuits that successfully complete
851   through that guard. The ratio of these two numbers is used to determine
852   a circuit success rate for that Guard.
854   Circuit build timeouts are counted as construction failures if the
855   circuit fails to complete before the 95% "right-censored" timeout
856   interval, not the 80% timeout condition (see section 2.4).
858   If a circuit closes prematurely after construction but before being
859   requested to close by the client, this is counted as a failure.
861 7.2. Measuring path usage success rates
863   Clients maintain two usage counts for each of their guards: a count
864   of the number of usage attempts, and a count of the number of
865   successful usages.
867   A usage attempt means any attempt to attach a stream to a circuit.
869   Usage success status is temporarily recorded by state flags on circuits.
870   Guard usage success counts are not incremented until circuit close. A
871   circuit is marked as successfully used if we receive a properly
872   recognized RELAY cell on that circuit that was expected for the current
873   circuit purpose.
875   If subsequent stream attachments fail or time out, the successfully used
876   state of the circuit is cleared, causing it once again to be regarded
877   as a usage attempt only.
879   Upon close by the client, all circuits that are still marked as usage
880   attempts are probed using a RELAY_BEGIN cell constructed with a
881   destination of the form 0.a.b.c:25, where a.b.c is a 24 bit random
882   nonce. If we get a RELAY_COMMAND_END in response matching our nonce,
883   the circuit is counted as successfully used.
885   If any unrecognized RELAY cells arrive after the probe has been sent,
886   the circuit is counted as a usage failure.
888   If the stream failure reason codes DESTROY, TORPROTOCOL, or INTERNAL
889   are received in response to any stream attempt, such circuits are not
890   probed and are declared usage failures.
892   Prematurely closed circuits are not probed, and are counted as usage
893   failures.
895 7.3. Scaling success counts
897   To provide a moving average of recent Guard activity while
898   still preserving the ability to verify correctness, we periodically
899   "scale" the success counts by multiplying them by a scale factor
900   between 0 and 1.0.
902   Scaling is performed when either usage or construction attempt counts
903   exceed a parametrized value.
905   To avoid error due to scaling during circuit construction and use,
906   currently open circuits are subtracted from the usage counts before
907   scaling, and added back after scaling.
909 7.4. Parametrization
911    The following consensus parameters tune various aspects of the
912    defense.
914      pb_mincircs
915        Default: 150
916        Min: 5
917        Effect: This is the minimum number of circuits that must complete
918                at least 2 hops before we begin evaluating construction rates.
921      pb_noticepct
922        Default: 70
923        Min: 0
924        Max: 100
925        Effect: If the circuit success rate falls below this percentage,
926                we emit a notice log message.
928      pb_warnpct
929        Default: 50
930        Min: 0
931        Max: 100
932        Effect: If the circuit success rate falls below this percentage,
933                we emit a warn log message.
935      pb_extremepct
936        Default: 30
937        Min: 0
938        Max: 100
939        Effect: If the circuit success rate falls below this percentage,
940                we emit a more alarmist warning log message. If
941                pb_dropguard is set to 1, we also disable the use of the
942                guard.
944      pb_dropguards
945        Default: 0
946        Min: 0
947        Max: 1
948        Effect: If the circuit success rate falls below pb_extremepct,
949                when pb_dropguard is set to 1, we disable use of that
950                guard.
952      pb_scalecircs
953        Default: 300
954        Min: 10
955        Effect: After this many circuits have completed at least two hops,
956                Tor performs the scaling described in Section 7.3.
958      pb_multfactor and pb_scalefactor
959        Default: 1/2
960        Min: 0.0
961        Max: 1.0
962        Effect: The double-precision result obtained from
963                pb_multfactor/pb_scalefactor is multiplied by our current
964                counts to scale them.
966      pb_minuse
967        Default: 20
968        Min: 3
969        Effect: This is the minimum number of circuits that we must attempt to
970                use before we begin evaluating construction rates.
972      pb_noticeusepct
973        Default: 80
974        Min: 3
975        Effect: If the circuit usage success rate falls below this percentage,
976                we emit a notice log message.
978      pb_extremeusepct
979        Default: 60
980        Min: 3
981        Effect: If the circuit usage success rate falls below this percentage,
982                we emit a warning log message. We also disable the use of the
983                guard if pb_dropguards is set.
985      pb_scaleuse
986        Default: 100
987        Min: 10
988        Effect: After we have attempted to use this many circuits,
989                Tor performs the scaling described in Section 7.3.
991 7.5. Known barriers to enforcement
993   Due to intermittent CPU overload at relays, the normal rate of
994   successful circuit completion is highly variable. The Guard-dropping
995   version of the defense is unlikely to be deployed until the ntor
996   circuit handshake is enabled, or the nature of CPU overload induced
997   failure is better understood.
1001 X. Old notes
1003 X.1. Do we actually do this?
1005 How to deal with network down.
1006   - While all helpers are down/unreachable and there are no established
1007     or on-the-way testing circuits, launch a testing circuit. (Do this
1008     periodically in the same way we try to establish normal circuits
1009     when things are working normally.)
1010     (Testing circuits are a special type of circuit, that streams won't
1011     attach to by accident.)
1012   - When a testing circuit succeeds, mark all helpers up and hold
1013     the testing circuit open.
1014   - If a connection to a helper succeeds, close all testing circuits.
1015     Else mark that helper down and try another.
1016   - If the last helper is marked down and we already have a testing
1017     circuit established, then add the first hop of that testing circuit
1018     to the end of our helper node list, close that testing circuit,
1019     and go back to square one. (Actually, rather than closing the
1020     testing circuit, can we get away with converting it to a normal
1021     circuit and beginning to use it immediately?)
1023   [Do we actually do any of the above?  If so, let's spec it.  If not, let's
1024   remove it. -NM]
1026 X.2. A thing we could do to deal with reachability.
1028 And as a bonus, it leads to an answer to Nick's attack ("If I pick
1029 my helper nodes all on 18.0.0.0:*, then I move, you'll know where I
1030 bootstrapped") -- the answer is to pick your original three helper nodes
1031 without regard for reachability. Then the above algorithm will add some
1032 more that are reachable for you, and if you move somewhere, it's more
1033 likely (though not certain) that some of the originals will become useful.
1034 Is that smart or just complex?
1036 X.3. Some stuff that worries me about entry guards. 2006 Jun, Nickm.
1038   It is unlikely for two users to have the same set of entry guards.
1039   Observing a user is sufficient to learn its entry guards.  So, as we move
1040   around, entry guards make us linkable.  If we want to change guards when
1041   our location (IP? subnet?) changes, we have two bad options.  We could
1043     - Drop the old guards.  But if we go back to our old location,
1044       we'll not use our old guards.  For a laptop that sometimes gets used
1045       from work and sometimes from home, this is pretty fatal.
1046     - Remember the old guards as associated with the old location, and use
1047       them again if we ever go back to the old location.  This would be
1048       nasty, since it would force us to record where we've been.
1050   [Do we do any of this now? If not, this should move into 099-misc or
1051   098-todo. -NM]