Tor网络结构

本篇将详细介绍Tor的基本组件，及其工作原理。

1、基本结构

Tor链路通常包含3种节点，即入口节点（Entry/Guard Node），中间节点（Middle Node）和出口节点（Exit Node），它们统一被称为中继节点（Relay Node），且理论上可以互换位置。其中入口节点可搭载不同的可插拔传输协议（Pluggable Transport, PT），包括WebTunnel、obfs4、Snowflake和meek四种。

Tor有两类加密机制，即channel和circuit。其中channel使用Tor的TLS进行加密传输，用于节点之间进行加密，且channel无需每次都建立，短时间内，可支持多个circuit建立。而circuit则是Tor知名的3跳电路，其是用公钥密码和对称密码组合的加密方式，即用RSA加密进行DH协商AES密钥，最终用AES加密数据。Tor客户端发送消息时，将消息进行3次AES加密，然后经过circuit中的3个节点逐层解密，最终以明文的形式到达目标地址，接受消息则是逐层加密。

图中灰色部分为channel加密层，红绿蓝部分为circuit加密层。

通过标准Tor（不使用PT）访问目标网站有以下几个步骤：

初次连接时，Tor客户端与内置的官方目录服务器（Directory Authorities）建立channel，下载Tor共识（Consensus）文件至Tor的Data目录中，官方目录服务器编译在Tor源码中（/src/app/config/auth_dirs.inc），其包含当前Tor网络中可用的中继节点（Relay Nodes）列表及其公钥、IP地址、带宽等信息。还会获取目录缓存节点（Directory Cache）的节点描述信息，这些是存储网络共识的普通中继节点。等下次再请求共识文档时，客户端可以从之前的共识文档中获取目录缓存节点的地址，然后通过Tor电路向这些节点请求最新的共识文档，以减轻目录服务器的压力。Tor客户端从节点列表中随机选择3*n个中继节点组成n个电路（Circuit），客户端同时维护这n条电路。
客户端与入口节点首先通过TLS建立channel加密通道，然后客户端生成一个临时会话密钥，并使用入口节点的RSA公钥加密后发送，完成基于Diffie-Hellman协议的密钥协商，随后发送固定512字节大小的CREATE信元（Cell），包含circuit握手数据，入口节点回复CREATED信元，确认连接建立。
客户端首先通过channel给入口节点发送EXTEND信元，指示入口节点与指定的中间节点建立连接；然后入口节点与中间节点建立TLS加密的channel，将EXTEND信元中的密钥协商数据封装为CREATE信元，发送给中间节点；接着中间节点构造一个CREATED信元，包含密钥协商的结果，并通过channel发送回入口节点；最后入口节点将CREATED信元封装成EXTENDED信元发回客户端。简单来说，客户端通过入口节点与中间节点协商密钥，客户端生成新的会话密钥并通过中间节点的公钥加密发送，建立客户端与中间节点的端到端加密（非TLS）。
与上述过程类似，客户端通过入口节点和中间节点，与出口节点完成密钥协商后，电路建立完成。
客户端与3个节点分别建立了端到端的加密，且每个节点之间都建立了TLS加密的channel通道，客户端发送数据时，需要加密3次。正向传播时，数据逐层解密，出口节点将获取明文数据。反向传播时，数据逐层加密，入口节点能够获取客户端IP。

当客户端使用网桥时，通信过程变为如下所示：

客户端首先和网桥节点建立channel通道，然后建立一个仅有1跳的circuit，也就是通过网桥节点代理，连接目录服务器获取共识文件，然后再建立正常的circuit。通过stem库可观察到此现象。

另外，Tor中channel用的TLS加密也是基于OpenSSL库实现的，不过SNI是格式为www.+[4~25个随机字符]+.com的假域名，源码见/src/lib/tls/tortls_openssl.c

2、可插拔传输协议

虽然Tor的重点在去匿名化，但在规避审查方面，Tor也提供了一些协议，不过相比于Xray，Sing-box等专门用于规避流量审查的软件来说，要弱一些。下面介绍Tor四种主要的可插拔传输协议。

2.1 obfs4

obfs4协议由ScrambleSuit协议演变而来，其将流量全部加密，旨在绕过流量审查，但其加密后的流量随机化特征明显，已经能够被精准识别。

2.2 meek

meek协议的核心原理在于域前置，即通过CDN隐藏真实IP和域名，但其访问速度极慢，且重度依赖CDN服务。目前Tor使用的是CDN77厂商的服务，知名的phpmyadmin也是使用的此厂商的CDN服务，遂www.phpmyadmin.net已成为Tor最常用的前置域名。

2.3 Snowflake

Snowflake主要由Client、Proxy和Broker三部分组成。Client需要通过请求Broker协调，与Proxy建立WebRTC连接。Proxy将Client的流量中转至Tor网络。请求Broker时，使用域前置技术隐藏Broker。

2.4 WebTunnel

WebTunnel协议通过Nginx等反向代理服务建立伪站，只有用户提供正确的url，Nginx才会将用户流量代理转发，其原理类似TLS+WS+Web。