Notation助力Harbor镜像验证实践：构建安全可信的容器镜像供应链

摘要

在容器化技术普及的今天，如何确保镜像在传输与部署过程中的完整性和来源可信性成为关键挑战。Harbor作为企业级镜像仓库，结合Notation的数字签名验证能力，可构建端到端的镜像安全防线。本文从Notation的技术原理出发，结合Harbor的镜像管理特性，详细阐述如何通过签名策略、自动化验证流程及CI/CD集成，实现镜像的全生命周期安全管控，为企业提供可落地的实践方案。

一、容器镜像安全的核心挑战与Notation的定位

1.1 镜像供应链的安全风险

容器镜像作为应用部署的基础单元，其安全性直接影响整个系统的稳定性。当前，镜像供应链面临三大风险：

• 篡改风险：镜像在传输或存储过程中可能被植入恶意代码（如供应链攻击中的镜像投毒）。
• 来源不可信：未签名的镜像无法验证其发布者身份，可能导致内部人员误用第三方不可信镜像。
• 合规性缺失：金融、医疗等行业要求对软件供应链进行完整性审计，传统哈希校验无法满足监管需求。

1.2 Notation的技术价值

Notation是CNCF（云原生计算基金会）孵化的开源项目，专注于为容器镜像提供标准化数字签名与验证能力。其核心优势包括：

• 非对称加密签名：使用私钥对镜像进行签名，公钥验证签名有效性，确保只有授权方能修改镜像。
• 标准化签名格式：兼容OCI（开放容器倡议）规范，支持多种签名算法（如RSA、ECDSA）。
• 与Harbor深度集成：通过Harbor的Webhook机制，实现镜像上传后自动触发签名验证。

二、Notation与Harbor的集成架构设计

2.1 系统组件与交互流程

Harbor与Notation的集成需部署以下组件：

• Notation CLI：用于生成密钥对、签名镜像及验证签名。
• Harbor插件：扩展Harbor的镜像处理逻辑，在上传/下载时调用Notation。
• 密钥管理系统（KMS）：集中存储私钥，避免硬编码在CI/CD流水线中。

典型交互流程：

1. 镜像构建：开发者通过Dockerfile构建镜像并推送至Harbor。
2. 自动签名：Harbor的Webhook触发Notation CLI，使用预配置的私钥对镜像签名。
3. 存储签名：签名文件（.sig）与镜像元数据一同存储在Harbor中。
4. 下载验证：用户拉取镜像时，Harbor自动调用Notation验证签名有效性，拒绝未签名或签名无效的镜像。

2.2 密钥管理最佳实践

私钥的安全性直接影响整个系统的可信度，建议采用以下方案：

• 硬件安全模块（HSM）：将私钥存储在HSM中，避免软件层面的泄露风险。
• 短期有效证书：为私钥配置较短的过期时间（如90天），定期轮换。
• 最小权限原则：仅允许Harbor服务账户访问签名所需的私钥，避免权限扩散。

三、Notation在Harbor中的实践场景

3.1 场景一：强制签名策略

需求：确保所有上传至Harbor的镜像必须经过签名，否则拒绝入库。

实现步骤：

1. 配置Harbor策略：

   # Harbor的system.json中启用签名验证
   "signature": {
     "enabled": true,
     "require_signature": true
   }

2. 生成密钥对：

   notation cert generate --id "my-org" --output ./my-org-cert.pem
   notation key generate --id "my-org" --output ./my-org-key.pem

3. 上传密钥至Harbor：在Harbor的“系统管理”→“签名密钥”中导入公钥（.pem文件）。

效果：未签名的镜像在推送时会被Harbor拒绝，返回403 Forbidden错误。

3.2 场景二：CI/CD流水线中的自动化签名

需求：在Jenkins/GitLab CI中构建镜像后自动签名并推送至Harbor。

示例流水线（Jenkinsfile）：

pipeline {
    agent any
    stages {
        stage('Build Image') {
            steps {
                sh 'docker build -t my-app:latest .'
            }
        }
        stage('Sign Image') {
            steps {
                // 使用Notation签名镜像
                sh '''
                notation sign \
                  --key ./my-org-key.pem \
                  --cert ./my-org-cert.pem \
                  my-app:latest
                '''
            }
        }
        stage('Push to Harbor') {
            steps {
                sh 'docker push my-harbor.example.com/library/my-app:latest'
            }
        }
    }
}

关键点：

• 私钥需通过Jenkins的Credentials机制安全存储，避免硬编码在脚本中。
• 签名与推送需在同一个流水线阶段完成，避免中间状态泄露。

3.3 场景三：多团队环境下的签名隔离

需求：不同团队使用独立的签名密钥，避免交叉验证风险。

实现方案：

1. 为每个团队生成独立密钥对：

   # 团队A的密钥
   notation cert generate --id "team-a" --output ./team-a-cert.pem
   # 团队B的密钥
   notation cert generate --id "team-b" --output ./team-b-cert.pem

2. 在Harbor中配置项目级签名策略：
   • 为团队A的项目仅允许team-a签名的镜像。
   • 为团队B的项目仅允许team-b签名的镜像。

效果：团队A无法上传未签名或团队B签名的镜像，实现逻辑隔离。

四、性能优化与故障排查

4.1 签名验证的性能影响

Notation的签名验证会增加镜像拉取的延迟，尤其在首次验证时。优化建议：

• 缓存签名结果：Harbor可缓存已验证的镜像签名，避免重复验证。
• 并行验证：对大规模镜像库，可使用分布式任务队列（如Celery）并行处理验证请求。

4.2 常见故障与解决方案

问题现象	可能原因	解决方案
镜像推送被拒绝，提示“签名无效”	私钥与公钥不匹配	重新生成密钥对并更新Harbor配置
验证超时	网络延迟或Harbor负载过高	增加验证超时时间或扩容Harbor节点
签名文件丢失	存储卷损坏或手动删除	从备份恢复或重新签名

五、未来展望：Notation与零信任架构的融合

随着零信任安全模型的普及，Notation可进一步扩展以下能力：

• 动态策略引擎：根据镜像标签、来源IP等上下文动态调整签名验证强度。
• 与SPIFFE/SPIRE集成：通过SPIFFE ID绑定镜像签名者身份，实现更细粒度的访问控制。
• 区块链存证：将签名记录上链，提供不可篡改的审计日志。

结语

Notation与Harbor的结合为企业提供了从镜像构建到部署的全链路安全保障。通过标准化签名流程、自动化验证机制及灵活的策略配置，可有效抵御镜像篡改、来源不明等风险。建议企业从强制签名策略入手，逐步扩展至CI/CD集成和多团队隔离，最终构建起适应零信任架构的容器镜像供应链。