Onion-Routing Schritt für Schritt erklärt

Beim Onion-Routing werden Daten in mehrere Verschlüsselungsschichten verpackt und über eine Kette von Servern geschickt. Jeder Server entfernt eine Schicht und erfährt nur, von wem er die Daten bekommen hat und an wen er sie weitergeben soll. So kennt keiner von ihnen den gesamten Weg. Tor nutzt dafür drei Server, sogenannte Relays.

Die Bausteine#

Schritt 1: Die Relay-Liste laden#

Beim Start lädt dein Tor-Programm den Konsens: eine Liste aller aktuellen Relays mit ihren öffentlichen Schlüsseln, Bandbreiten und Eigenschaften. Diese Liste wird stündlich von einer kleinen Gruppe vertrauenswürdiger Verzeichnisserver gemeinsam erstellt und signiert. Ein einzelner Verzeichnisserver kann sie deshalb nicht fälschen.

Jedes Relay trägt Kennzeichen, sogenannte Flags. Die wichtigsten:

• Guard: stabil und schnell genug, um als Eingangsrelay zu dienen,
• Exit: erlaubt Verbindungen ins normale Internet,
• Fast und Stable: ausreichend Bandbreite bzw. lange Laufzeit.

Schritt 2: Den Pfad wählen#

Dein Tor-Programm wählt drei Relays aus – gewichtet nach Bandbreite, damit schnelle Relays häufiger genutzt werden. Dabei gelten Regeln, die verhindern sollen, dass ein einzelner Betreiber zwei Positionen besetzt:

1. Kein Relay kommt im selben Pfad zweimal vor.
2. Keine zwei Relays derselben Familie – also desselben Betreibers, der seine Relays als zusammengehörig kennzeichnet.
3. Keine zwei Relays aus demselben IPv4-Netzbereich (/16), weil sie oft beim selben Anbieter stehen.
4. Das erste Relay muss ein Guard sein, das letzte muss die gewünschte Verbindung laut seiner Exit-Richtlinie erlauben.

Das Eingangsrelay wählt Tor nicht jedes Mal neu, sondern bleibt über Monate bei denselben bevorzugten Guards. Mehr dazu im Artikel Tor-Relays: Guard, Middle und Exit erklärt.

Schritt 3: Den Schaltkreis Stück für Stück aufbauen#

Tor baut den Schaltkreis schrittweise auf, man spricht vom „teleskopartigen“ Aufbau:

1. Dein Programm verbindet sich mit dem Guard und handelt mit ihm per Schlüsselaustausch einen gemeinsamen Schlüssel aus.
2. Durch diese verschlüsselte Verbindung bittet es den Guard, den Schaltkreis zum mittleren Relay zu verlängern, und handelt mit diesem einen zweiten Schlüssel aus. Der Guard leitet nur weiter und erfährt diesen Schlüssel nicht.
3. Auf dieselbe Weise wird der Schaltkreis zum Exit-Relay verlängert, mit einem dritten Schlüssel.

Am Ende besitzt nur dein Rechner alle drei Schlüssel. Jedes Relay kennt nur seinen eigenen. Die Schlüssel sind kurzlebig: Wird ein Relay später gehackt, lassen sich aufgezeichnete alte Verbindungen damit nicht entschlüsseln (Forward Secrecy).

Schritt 4: Daten in Schichten verschlüsseln#

Wenn du jetzt eine Website aufrufst, verpackt dein Rechner die Anfrage dreifach:

Verschlüsselt mit Schlüssel 1 (Guard)
└── Verschlüsselt mit Schlüssel 2 (Middle)
    └── Verschlüsselt mit Schlüssel 3 (Exit)
        └── Deine Anfrage an die Website

• Der Guard entfernt die äußere Schicht und sieht nur: „weiter an das mittlere Relay“.
• Das mittlere Relay entfernt die zweite Schicht und sieht: „weiter an das Exit-Relay“.
• Das Exit-Relay entfernt die letzte Schicht und schickt die Anfrage an die Website.

Die Antwort der Website läuft den umgekehrten Weg: Jedes Relay fügt eine Schicht hinzu, und erst dein Rechner entfernt alle drei.

Alle Daten werden dabei in Zellen gleicher Größe transportiert. Ein Beobachter kann deshalb an der Größe einzelner Pakete nicht erkennen, was übertragen wird.

Schritt 5: Schaltkreise wechseln und trennen#

• Zeitlicher Wechsel: Für neue Verbindungen nutzt Tor einen Schaltkreis standardmäßig etwa zehn Minuten lang, dann baut es einen neuen.
• Trennung nach Website: Der Tor Browser gibt jeder Website, die du in der Adressleiste aufrufst, einen eigenen Schaltkreis. So landen deine Besuche bei verschiedenen Seiten nicht über dasselbe Exit-Relay.
• Manueller Wechsel: Über „Neuer Tor-Kanal für diese Seite“ erzwingst du einen neuen Weg; „Neue Identität“ schließt alle Tabs und setzt den Browser zurück.

Was jedes Relay weiß#

Die Grenzen des Verfahrens#

Onion-Routing verbirgt, wer mit wem spricht. Es hat aber klare Grenzen, die das Tor Project selbst offenlegt:

• Korrelation von Ein- und Ausgang: Wer den Datenverkehr am Guard und am Exit gleichzeitig beobachten kann, kann ihn über Zeitpunkte und Datenmengen zuordnen. Tor schützt ausdrücklich nicht gegen einen Angreifer, der große Teile des Internets überwacht.
• Bösartige Exits: Ein Exit-Relay sieht unverschlüsselten Verkehr. Ohne HTTPS könnte es Inhalte mitlesen oder verändern.
• Fehler der Nutzer: Anmeldungen, Metadaten oder außerhalb des Browsers geöffnete Dateien hebeln den Schutz aus.

Wie Angreifer versuchen, Tor-Nutzer zu enttarnen, beschreibt der Artikel Wie Deanonymisierung funktioniert.

Onion-Dienste: sechs statt drei Relays#

Bei Onion-Seiten gibt es kein Exit-Relay. Stattdessen bauen beide Seiten je einen Schaltkreis zu einem Treffpunkt auf. So bleibt auch der Server verborgen, und die Verbindung ist durchgehend verschlüsselt. Den Ablauf beschreibt Onion Services: So funktionieren .onion-Seiten.