CurveZMQ协议简介

本文主要介绍ZeroMQ的安全模型——CurveZMQ 协议，简单描述其流程。将个人理解记录为笔记。

简介

ZeroMQ的安全模型基于 CurveZMQ 协议，该协议基于 Curve25519 椭圆曲线加密算法，使用公钥加密和对称密钥加密相结合的方式。CurveZMQ 提供了端到端的加密通信，确保消息在传输过程中不会被窃听或篡改。同时，CurveZMQ 还实现了一个基于公钥/私钥对的认证机制，以验证通信节点的身份。

CurveZMQ 可以解决重放攻击、放大攻击、MIM攻击、密钥盗窃、客户端识别和各种拒绝服务攻击。

CurveZMQ 的安全性证明和详细过程参考：https://rfc.zeromq.org/spec/26/

其他参考网站：

https://libzmq.readthedocs.io/en/latest/zmq_curve.html

https://blog.csdn.net/weixin_45661808/article/details/145155486

https://developer.aliyun.com/article/1463834

CurveZMQ 加密通信过程

1. 密钥对生成

每个使用 CurveZMQ 的通信端（客户端和服务端）都需要生成一个公钥和私钥的密钥对。这个密钥对由以下两部分组成：

1. 私钥（Secret Key）：此密钥只能由持有者知道，用于生成共享密钥。
2. 公钥（Public Key）：这个密钥可以公开，用来交换给对方。

密钥对生成过程是通过 zmq_curve_keypair() 函数完成的（Curve25519 算法）。

客户端生成长期的客户端密钥对：客户端公钥、客户端私钥。

服务端生成长期的服务端密钥对：服务端公钥、服务端私钥。

2. 公钥交换

• 在 CurveZMQ 协议中，公钥用于验证身份并生成共享密钥。因此，通信双方必须交换各自的公钥。
• 交换公钥的方式可以是通过配置或预先共享的方式进行。也可以在一个安全的渠道（如 HTTPS）中进行。
• 交换完成后，客户端知道服务端长期公钥，服务端知道客户端长期公钥

3. CurveZMQ握手过程

握手过程的官方详细介绍见：https://rfc.zeromq.org/spec/26/

符号定义：

客户端长期密钥对记为C ，服务端长期密钥对记为S。

客户端临时密钥对记为C’，服务端临时密钥对记为S’。

定义 Box[X] (C->S) 表示一个加密盒子，它将明文X，“从C加密到S”，这意味着只有C可以创建盒子，只有S可以打开它。盒子是从C到S的单向信息传输。创建和打开盒子的实际步骤是：

• 发送方C 使用C的私钥和S的公钥计算一个共享秘钥（使用Curve25519算法计算出的ECDH秘钥），再生成一个随机数Nonce。然后使用加密函数对明文进行加密（该函数内部通常使用XSalsa20流密码进行加密，并使用Poly1305消息认证码来确保密文的完整性和真实性）
• 接收方S 使用C的公钥和S的私钥计算相同的共享秘钥（根据Curve25519算法的原理，计算出的此秘钥与上方的共享秘钥相等），再加上相同的随机数（随报文发送），使用解密函数即可解密出明文。

1. 客户端发起连接，首先生成一个临时密钥对。向服务端发出一个HELLO命令，其中包含客户端临时公钥。

   hello = %d5 "HELLO" hello-version hello-padding hello-client hello-nonce hello-box
   hello-version = %x1 %x0 ; CurveZMQ major-minor version 
   hello-padding = 72%x00 ; Anti-amplification padding 
   hello-client = 32OCTET ; Client public transient key C' 
   hello-nonce = 8OCTET ; Short nonce, prefixed by "CurveZMQHELLO---" 
   hello-box = 80OCTET ; Signature, Box [64 * %x0](C'->S) 

2. 当服务器收到HELLO时，它会生成自己的临时密钥对，并将这个 服务器临时私钥 编码为“cookie”（cookie=客户端临时公钥+服务器临时私钥），作为WELCOME命令发送回客户端。WELCOME命令还包含服务器临时公钥，加密后只有客户端可以读取（welcome-box必须使用服务端长期公钥+客户端临时私钥才能解密）。然后丢弃服务端临时密钥对。

   welcome = %d7 "WELCOME" welcome-nonce welcome-box
   welcome-nonce = 16OCTET ; Long nonce, prefixed by "WELCOME-" 
   welcome-box = 144OCTET ; Box [S' + cookie](S->C')
   
   cookie = cookie-nonce cookie-box 
   cookie-nonce = 16OCTET ; Long nonce, prefixed by "COOKIE--" 
   cookie-box = 80OCTET ; Box [C' + s'](K)

3. 客户端收到WELCOME命令，解密得到服务器临时公钥和“cookie”。然后客户端发回一个INITIATE命令，其中包含“cookie”、经过加密的客户端永久公钥，只有服务端能够读取到（因为initiate-box必须用客户端临时公钥+服务端临时私钥才能解密）。服务端可从cookie中读取到客户端临时公钥+之前丢弃的服务器临时私钥。

   initiate = %d8 "INITIATE" initiate-cookie initiate-nonce initiate-box 
   initiate-cookie = cookie ; Server-provided cookie 
   initiate-nonce = 8OCTET ; Short nonce, prefixed by "CurveZMQINITIATE" 
   initiate-box = 144*OCTET ; Box [C + vouch + metadata](C'->S') 
   
   vouch = vouch-nonce vouch-box 
   vouch-nonce = 16OCTET ; Long nonce, prefixed by "VOUCH---" 
   vouch-box = 80OCTET ; Box [C',S](C->S') 

   服务端临时密钥对：服务器在发送WELCOME时生成，但是并不保存。而是在cookie中传输给客户端。直到客户端回传回有效的INITIATE命令后，重新从cookie中读取出服务器临时私钥。其目的是将连接状态（服务器临时私钥的密文）交给客户端保存，自己无需在内存中为大量未完成的握手连接保存状态，能有效防御DoS拒绝服务攻击。

4. 服务器读取INITIATE命令，解密后可读取客户端永久公钥（在上方initiate-box中），然后可以对客户端身份进行验证。然后还可以读取cookie，获取客户端临时公钥、服务器临时私钥。随即服务器回复READY命令，表示握手成功。

   ready = %d5 "READY" ready-nonce ready-box 
   ready-nonce = 8OCTET ; Short nonce, prefixed by "CurveZMQREADY---" 
   ready-box = 16*OCTET ; Box [metadata](S'->C') 

5. 至此，通过安全的方式，双方各自拥有了自己的临时私钥、对方的临时公钥。利用 Curve25519 椭圆曲线算法的特性，双方可以独立地计算出相同的共享密钥 (Shared Secret)，该密钥将作为本次会话的会话密钥 (Session Key)。

4. 加密消息传输阶段

ZeroMQ 底层使用之前协商出的会话密钥、随机数和 Poly1305 认证加密算法对消息进行加密和认证。消息负载Payload使用发送方临时私钥+接收方临时公钥，和一个在报文中发送的随机数，来进行加密（Curve25519算法）。接收方使用发送方临时公钥+接收方临时私钥，和从报文中读取的随机数nonce，进行解密，得到消息负载Payload。

; MESSAGE command, 33+ octets 
message = %d7 "MESSAGE" message_nonce message-box 
message-nonce = 8OCTET ; Short nonce, prefixed by "CurveZMQMESSAGE-" 
message-box = 17*OCTET ; Box [payload](S'->C') or (C'->S') 
; This is the text sent encrypted in the box 
payload = payload-flags payload-data 
payload-flags = OCTET ; Explained below 
payload-data = *octet ; 0 or more octets 

大模型对于CurveZMQ的介绍

下面提供两份Deepseek对于CurveZMQ的介绍，结合阅读有助于理解：

文件1：

文件2：