TUF系统概述

TUF基本介绍

TUF 是一个为软件更新系统设计的安全框架,最初由纽约大学的 Secure Systems Lab 提出。它的目标是解决传统软件更新过程中的各种安全问题(如中间人攻击、回滚攻击、密钥泄露等),通过多角色职责分离、多签名机制和密钥轮换机制来提高软件供应链的抗攻击能力和韧性。

职责分派(Role Delegation)

将软件更新所涉及的权限分给不同角色,各自负责不同类型的元数据,降低"单点控制"的风险。

好处: 如果一个角色(如 timestamp)密钥泄露,其能力有限;不会影响整个更新系统。

多密钥 + 阈值签名(Threshold Signatures)

  • 每个角色可以设置多个密钥,以及一个 签名阈值 k-of-n 。
    • 例如:targets 角色可以设置"必须有 2 个开发者签名才有效"。

好处: 即使一个开发者的密钥泄露,攻击者也无法伪造有效更新。

密钥轮转 & 撤销(Key Rotation & Revocation)

  • 所有公钥都被记录在 root.json 中,因此可以通过发布新版本的 root.json 来更换密钥。
  • 密钥丢失或泄露后,管理员可通过 root 签名发布新的密钥信息。

好处: 密钥是可更新的,系统不依赖于长期安全的密钥对。

相比传统软件更新的优势

传统方式 存在问题 TUF 对应的改进
单密钥签名包 密钥泄露 = 全系统沦陷 多密钥 + 阈值签名
所有操作权限集中在一处 单点失败问题严重 明确角色职责分工,攻击面变小
没有更新验证链 无法追踪或信任 所有元数据签名链确保完整性
密钥一旦泄露难以替换 无轮转机制 通过 root.json 灵活轮转密钥
无法识别元数据或内容是否篡改 无法抵御回滚,冻结攻击 ,混合匹配攻击 snapshot + timestamp 双重保护

定义元文件

元文件定义

TUF中被保护的软件或软件包称为Target File,保护软件包的元文件称为Metadata File,分为Root.json,Timestamp.json,Snapshot.json,Target.json。

Notary中只存储和操作元数据文件,不存储软件或软件包本身。

角色划分

角色名称 职责概要 签名对象 密钥位置 由谁管理 签名要求
Root 管理和分发所有其它角色的公钥。支持密钥轮换、撤销。 Root.json 离线 仓库管理员 一般需 ≥2-of-n 签名
Targets 指定哪些镜像(或文件)被信任,可发布。支持 Delegation。 Targets.json 离线 项目负责人、开发者团队 一般需 1 或多签名
Snapshot 确保 targets(及其 delegation)元数据的一致性与版本管理,防止回滚和混合匹配攻击。 Target.json及其Delegation 可存服务端 自动化构建系统或服务器 通常 1 个签名
Timestamp 指出最新的 snapshot 版本,减轻冻结攻击。 Snapshot.json 服务端 自动化构建系统或服务器

定义数据格式与验证方式

参考网址:TUF规范

数字签名概念,为什么不依赖信道安全和第三方背书。

威胁模型

  • 恶意更新,混合匹配攻击:阈值签名,哈希校验
  • 回滚攻击:json文件版本号,snapshot版本号
  • 冻结攻击:timestamp快速过期
  • 密钥泄漏:
    • Timestamp泄漏造成冻结攻击
    • Release,Target或Release+Target单独泄漏不造成危险
    • Timestamp+Snapshot造成冻结攻击和Mix-Match
    • Timestamp+Snapshot+Target全部泄漏或者Root泄漏,系统危险
    • Root密钥泄漏个数少于Threshold时,不会使系统完全失信

系统架构与工作流

系统架构与初始化流程

首次信任配置,公钥注册。

元数据更新流程

更新Root.json(密钥轮转与撤销)

  1. 令N表示当前可信根元数据文件的版本号。
  2. 尝试下载Root.json的N+1版本,最多X字节
  3. 检查是否存在恶意软件攻击 :
    1. 需要超过Threshold个版本N的Root.json签名验证通过(垂直验证)
    2. 需要超过Threshold个版本N+1的Root.json签名验证通过(水平验证)
  4. 检查是否存在回滚攻击 :
    1. 新Root.json版本号 = 旧Root.json版本号 + 1
  5. 检查是否存在冻结攻击:中间Root.json过期没有关系
  6. 持久化Root.json
  7. 重复2~9步
  8. 检查是否存在冻结攻击:最终的Root.json文件过期时间戳未到,且高于固定更新时间
  9. 持久化最新Root.json

Root.json更新需要逐级建立信任链,也就是从版本1,逐级更新到版本N,中间不能跳跃。

更新Timestamp.json

  1. 下载Timestamp.json,最多X字节
  2. 检查是否存在恶意软件攻击 :用Root.json记录的公钥验证Timestamp.json签名,需要超过Threshold个签名验证通过
  3. 检查是否存在回滚攻击 :
    1. 新Timestamp.json版本号 > 旧Timestamp.json版本号
    2. 新Timestamp.json中记录的Snapshot.json版本号 >= 旧Timestamp.json中记录的Snapshot.json版本号
  4. 检查是否存在冻结攻击:新TimeStamp.json文件过期时间戳未到,且高于固定更新时间
  5. 持久化Timestamp.json

更新Snapshot.json

  1. 下载Snapshot.json,最多X字节
  2. 防止中间人攻击者的混合搭配攻击:校验新Snapshot.json的哈希值是否与Timestamp.json记录的哈希值一致
  3. 检查是否存在恶意软件攻击 :用Root.json记录的公钥验证Snapshot.json签名,需要超过Threshold个签名验证通过
  4. 检查是否存在回滚攻击 :
    1. 新Snapshot.json版本号 = 最新的Timestamp.json中记录的Snapshot.json版本号
    2. 新Snapshot.json中记录的Target.json版本号 >= 旧Snapshot.json中记录的Target.json版本号
  5. 检查是否存在冻结攻击:新Snapshot.json文件过期时间戳未到,且高于固定更新时间
  6. 持久化Snapshot.json

更新Target.json

  1. 下载Target.json,最多X字节
  2. 防止中间人攻击者的混合搭配攻击:校验新Target.json的哈希值是否与Snapshot.json记录的哈希值一致
  3. 检查是否存在恶意软件攻击 :用Root.json记录的公钥验证Target.json签名,需要超过Threshold个签名验证通过
  4. 检查是否存在回滚攻击 :
    1. 新Target.json版本号 = 最新的Snapshot.json中记录的Target.json版本号
  5. 检查是否存在冻结攻击:新Target.json文件过期时间戳未到,且高于固定更新时间
  6. 持久化Target.json

部署模型

Delegation与路径划分

在实际生产项目中,镜像往往不是直接挂在顶层的Target.json下,而是创建多个Delegation角色,每个 Delegation 角色(如 targets/releases、targets/dev-team-a)都可以指定它负责的 路径前缀(path pattern),用于匹配特定的镜像名或 target 路径。

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projects/
├── notary
├── docker
internal/
├── monitor
├── backup
角色 负责路径(path pattern) 所属团队
targets/releases projects/notary/, projects/docker/ 官方发布
targets/notary projects/notary/dev/* 团队 A 维护
targets/docker projects/docker/dev/* 团队 B 维护
targets/internal internal/* 内部维护者专属

存在的问题

  • 委托顺序问题:当多个角色关联到相同文件时,存在歧义
    => 区分优先级:Target.json中的委托声明顺序作为优先级
  • 故障转移问题:无法做到bar-*都通过B角色校验,其他通过C角色校验
    => 引入Terminating标记:比如标记B为Terminating,那么在B所关联的文件中没有找到bar-*文件的话,则也不会在其他角色下搜索相关文件。

最大安全模型和传统安全模型

基本描述

安全模型 简要描述 特点
Maximum Security Model (MSM) 精细化的委托,只有Timestmap Key保存在服务器,其余密钥都离线保存 安全性高,不易部署
Legacy Security Model (LSM) 部分签名操作由服务器完成,密钥(如 Snapshot、Timestamp)都保存在服务器上 安全性一般,容易部署

Project类型

MSM和LSM把各个软件包根据签名与否,划分为如下集合,称为Project:

项目类型 定义与特点 密钥类型 签名人 所属模型
Claimed Project 由开发者认领并签名 离线 开发者 Both
New Project 刚发布,开发者未注册签名 key 在线 无 Both
Rarely Updated Project 长期无更新但仍需信任 离线 管理员 MSM
Unclaimed Project 没有绑定具体维护者,未进行"认领" 在线 无 LSM

软件包生命周期

新镜像

  • 刚创建:New Project
  • 开发者进行签名:转移到Claimed Project
    • 长久未更新:转移到Rarely Update Project
  • 开发者没有进行签名:转移到Unclaimed Project
    原有镜像:
  • 未签名:转移到Unclaimed Project
    • 管理员代签:转移到Rarely Project
  • 已签名:转移到Claimed Projet

LSM转换为MSM

  • 从上往下:角色优先级递减
  • LSM -> MSM:Unclaimed Project -> Rarely Update Project

参考资料

  • TUF规范
  • TUF论文:
    • 原理:Survivable Key Compromise in Software Update Systems
    • 实际部署:Diplomat: Using Delegations to Protect Community Repositories
  • Notary文档
  • DCT文档