3、镜像签名技术原理：数字签名基础（非对称加密、哈希）、Cosign与Notation对比、签名格式与存储位置

容器镜像签名是云原生供应链安全的核心防线。本章从数字签名的底层原理出发，深入剖析非对称加密与哈希算法的协作机制，并对比当前两大主流签名工具——Cosign 与 Notation 的设计哲学、签名格式与存储策略，帮助你在工程选型中做出合理决策。

3.1 数字签名基础：非对称加密与哈希

数字签名的本质是“用私钥加密摘要，用公钥验证签名”。整个过程依赖两个核心密码学原语：哈希函数（Hash Function）与非对称加密（Asymmetric Cryptography）。

3.1.1 哈希函数：数据指纹

哈希函数将任意长度的数据映射为固定长度的摘要（Digest），具有以下特性：

• 单向性：无法从摘要反推出原始数据。
• 抗碰撞性：极难找到两个不同数据产生相同摘要。
• 敏感性：原始数据微小变化会导致摘要完全改变。

在镜像签名中，哈希函数用于对镜像 Manifest 或 Layer 计算摘要，确保签名对象不可篡改。常用算法包括 SHA-256（默认）和 SHA-384。

3.1.2 非对称加密：密钥对与签名验证

非对称加密使用一对密钥：私钥（Private Key）和公钥（Public Key）。私钥由签名者秘密保管，公钥可公开分发。签名流程如下：

1. 签名者使用私钥对镜像摘要进行加密，生成签名。
2. 验证者使用签名者的公钥解密签名，得到摘要 A。
3. 验证者对镜像重新计算摘要 B，比较 A 与 B 是否一致。

若一致，则证明镜像未被篡改且确实由私钥持有者签名。

3.1.3 数字签名流程示意图

下图展示了从镜像摘要计算到签名生成与验证的完整流程：

3.2 Cosign 与 Notation 对比

Cosign 和 Notation 是当前容器镜像签名领域的两大主流工具。两者在签名格式、密钥管理、生态集成等方面存在显著差异。下表从多个维度进行对比：

3.2.1 选型建议

• 优先选择 Cosign：如果你需要快速启动、希望利用 Keyless 模式降低密钥管理复杂度，或已使用 Sigstore 生态。
• 优先选择 Notation：如果你所在组织已有成熟的 PKI 体系，需要严格遵循企业证书策略，或深度使用 Azure 云服务。
• 混合使用：部分团队在开发环境使用 Cosign Keyless，在生产环境使用 Notation 结合 HSM 签名。

3.3 签名格式与存储位置

容器镜像签名并非直接修改镜像本身，而是将签名作为独立的 OCI 制品存储在容器镜像仓库中。这种设计保证了镜像的不可变性与签名的可分离性。

3.3.1 签名格式

Cosign 和 Notation 均遵循 OCI 制品规范，但签名内容的封装方式不同：

• Cosign 签名格式：签名被封装为一个 OCI 制品，其 Manifest 中包含签名载荷、证书链（或公钥）以及镜像引用。签名制品的 MediaType 为 application/vnd.dev.cosign.simplesigning.v1+json。
• Notation 签名格式：签名遵循 Notary 项目规范，使用 JWS（JSON Web Signature）格式封装签名、证书链和签名元数据。签名制品的 MediaType 为 application/vnd.cncf.notary.signature。

3.3.2 存储位置

签名制品与原始镜像存储在同一个容器镜像仓库中，通过特定的标签或引用关联。具体存储策略如下：

3.3.3 签名存储架构图

下图展示了签名制品与镜像在仓库中的关联关系：

3.3.4 签名验证流程

当准入控制器验证镜像签名时，执行以下步骤：

1. 拉取镜像：获取镜像 Manifest 并计算摘要。
2. 查询签名：通过 OCI Referrers API 或标签查找关联的签名制品。
3. 解析签名：提取签名载荷、证书链或公钥。
4. 验证签名：使用公钥解密签名，比对摘要是否一致。
5. 检查信任链：验证证书链是否由受信任的根 CA 签发。
6. 执行策略：根据签名验证结果决定允许或拒绝镜像运行。