揭秘嵌入式OTA在線固件升級技術(shù)

一、簡介

1.1 ?概念

OTA：Over-the-Air Technology，即空中下載技術(shù)。

OTA升級：通過OTA方式實現(xiàn)固件或軟件的升級。

只要是通過無線通信方式實現(xiàn)升級的，都可以叫OTA升級，比如網(wǎng)絡(luò)/藍牙。

通過有線方式進行升級，叫本地升級，比如通過UART，USB或者SPI通信接口來升級設(shè)備固件。

1.2 ?優(yōu)點

1.通過OTA方式，可以對分布在各地的設(shè)備進行軟件升級，而不必讓運維人員各地奔波。

2.物聯(lián)網(wǎng)平臺支持通過OTA方式進行設(shè)備固件升級，是智能設(shè)備修復(fù)系統(tǒng)漏洞、實現(xiàn)系統(tǒng)升級的手段。

3.在迅速變化和發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場，新的產(chǎn)品需求不斷涌現(xiàn)，因此對于智能硬件設(shè)備的更新需求就

變得空前高漲，設(shè)備不再像傳統(tǒng)設(shè)備一樣一經(jīng)出售就不再變更。通過固件升級用戶提供更好的服務(wù)。

1.3 ?實現(xiàn)原理

核心流程：

1.制作升級包

2.下載升級包

3.驗簽升級包

4.更新程序

下載方式：

不管采用OTA方式還是有線通信方式升級，下載升級包的方式包括后臺式下載和非后臺式下載兩種模式。

后臺式下載：

在升級的時候，新固件在后臺悄悄下載，即新固件下載屬于應(yīng)用程序功能的一部分，在新固件下載過程中，應(yīng)用可以正常使用，也就是說整個下載過程對用戶來說是無感的，下載完成后，系統(tǒng)再跳到BootLoader程序，由BootLoader完成新固件覆蓋老固件的操作。

比如智能手機升級Android或者iOS系統(tǒng)都是采用后臺式方式，新系統(tǒng)下載過程中，手機可以正常使用。

非后臺式下載：

在升級的時候，系統(tǒng)需要先從應(yīng)用程序跳入到BootLoader程序，由BootLoader進行新固件下載工作，下載完成后BootLoader繼續(xù)完成新固件覆蓋老固件的操作，至此升級結(jié)束。

早先的功能機就是采用非后臺來升級操作系統(tǒng)的，即用戶需要先長按某些按鍵進入bootloader模式，然后再進行升級，整個升級過程中手機正常功能都無法使用。

新舊固件覆蓋模式：

新固件替換老固件覆蓋的兩種方式：雙區(qū)模式和單區(qū)模式。

雙區(qū)模式：

雙區(qū)模式中老固件和新固件在flash中各占一塊bank（存儲區(qū)）。假設(shè)老固件放在bank0（運行區(qū)）中，新固件放在bank1（下載區(qū)）中，升級的時候，應(yīng)用程序先把新固件下載到bank1中，只有當(dāng)新固件下載完成并校驗成功后，系統(tǒng)才會跳入BootLoader程序，然后擦除老固件所在的bank0區(qū)，并把bank1的新固件拷貝到bank0中。

后臺式下載必須采用雙區(qū)模式進行升級。

優(yōu)點：

升級過程中出現(xiàn)問題或者新固件有問題，它還可以選擇之前的老固件老系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行而不受其影響。

缺點：

多占用flash空間的一個存儲區(qū)，在系統(tǒng)資源比較緊張的時候較為困難。

單區(qū)模式：

單區(qū)模式的非后臺式下載只有一個bank0（運行區(qū)），老固件和新固件共享這一個bank0。升級的時候，進入bootloader程序后先擦除老固件，然后直接把新固件下載到同一個bank中，下載完成后校驗新固件的有效性，新固件有效升級完成，否則要求重來。

優(yōu)點：

跟雙區(qū)模式相比，單區(qū)模式節(jié)省了Flash空間的一個bank，在系統(tǒng)資源比較緊張的時候，單區(qū)模式是一個不錯的選擇。

缺點：

如果升級過程中出現(xiàn)問題或者新固件有問題，單區(qū)模式碰到這種情況就只能一直待在bootloader中，然后等待再次升級嘗試，此時設(shè)備的正常功能已無法使用，從用戶使用這個角度來說，可以說此時設(shè)備已經(jīng)“變磚”了。

相比較，雙區(qū)模式雖然犧牲了很多存儲空間，但是換來了更好的升級體驗。

二、MCU OTA升級

以MCU（微控制器）固件升級為例，講解嵌入式裸機程序的OTA升級。由于裸機固件是固化在設(shè)備的存儲器（如flash）中，即存儲器中保存的是機器碼，對MCU進行OTA固件升級，也就是要實現(xiàn)通過OTA方式將存儲器中舊固件的機器碼替換為新固件的機器碼。

數(shù)字簽名

簽名：

A給B發(fā)送消息，A先計算出消息的消息摘要，然后使用自己的私鑰加密消息摘要，被加密的消息摘要就是簽名。

驗簽：

B收到消息后,也會使用和A相同的方法計算消息摘要，然后用A的公鑰解密簽名，并與自己計算出來的消息

摘要進行比較，如果相同則說明消息是A發(fā)送給B的，同時,A也無法否認(rèn)自己發(fā)送消息給B的事實。

(B使用A的公鑰解密簽名文件的過程，叫做"驗簽")

密碼學(xué)基礎(chǔ)概念：

1.什么是消息摘要？

2.什么是非對稱加解密？私鑰與公鑰？

3.什么是數(shù)字簽名？

數(shù)字簽名的作用：

保證數(shù)據(jù)完整性，機密性和發(fā)送方角色的不可抵賴性。

消息摘要函數(shù)：

MD4、MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512

數(shù)字簽名算法：

RSA、Rabin方式、ElGamal方式、DSA

2.1 ?制作升級包

通過簽名工具使用簽名算法對固件進行數(shù)字簽名，簽名后的文件即為升級包。

升級包的內(nèi)容一般包括firmware、header和signature value。

Firmware:固件

Header:頭部信息。存放配置信息，如版本號、產(chǎn)品類型等。

Signature value:簽名值。對firmware和header簽名后的值。

簽名工具：

上位機軟件，能計算固件的簽名值，并將固件打包為升級包的格式。

固件簽名：

上位機軟件先計算整個固件的消息摘要，使用非對稱密碼的私鑰對摘要進行加密，

被加密后的消息摘要數(shù)據(jù)就是簽名值。

固件簽名的意義：

計算hash值可以識別固件是否被篡改和偽裝，確保固件的完整性。

使用非對稱秘鑰簽名方便后續(xù)驗證升級包身份的合法性。

2.2 ?下載升級包

根據(jù)上位機軟件和MCU設(shè)備約定的通信協(xié)議，上位機軟件將升級包通過OTA方式發(fā)送給MCU設(shè)備，

MCU設(shè)備收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議解析出升級包的數(shù)據(jù)，并將升級包的數(shù)據(jù)保存到存儲器中。

通信協(xié)議的作用：

通訊雙方約定俗成地用于數(shù)據(jù)交流的格式。

下載的方式：

1.在應(yīng)用程序中下載：后臺式

2.在BootLoader中下載：非后臺式

2.3 ?驗簽升級包

MCU設(shè)備接收完所有的升級包后，先計算升級包中固件的摘要，然后使用非對稱秘鑰的

公鑰解密升級包的簽名值，如果解密出來的固件摘要與自己計算的摘要相同，則驗簽成功。

2.4 ?更新固件

驗簽成功保證了固件的完整性和合法性后，MCU設(shè)備從應(yīng)用程序進入BootLoader程序，

在BootLoader程序中將flash中的新固件數(shù)據(jù)搬運到舊固件的存儲區(qū)，將其覆蓋。

然后BootLoader程序啟動固件運行，此時固件為新固件。

flash固件數(shù)據(jù)更新：

擦除flash，寫flash。

三、Linux OTA升級

Linux系統(tǒng)的組成：

主要由三大部分組成，包括uboot(引導(dǎo)啟動程序)、kernel(內(nèi)核)和rootfs(根文件系統(tǒng))。

三者在flash中的分區(qū)如下：

應(yīng)用程序存放于rootfs。

Linux系統(tǒng)的啟動流程：

3.1 ?系統(tǒng)升級

Linux系統(tǒng)由ubootkernel ootfs三大部分組成，對Linux系統(tǒng)進行升級，也就是對flash中這三個分區(qū)的數(shù)據(jù)進行更新替換。

由于ubootkernel ootfs在flash分區(qū)中是以二進制數(shù)據(jù)存儲的，與MCU固件在flash中存的是二進制數(shù)據(jù)一樣，包括ubootkernel ootfs的升級文件也是以二進制數(shù)方式直接寫入到對應(yīng)的Flash分區(qū)。其升級方式與MCU固件的升級原理基本是一致的。

一般可在uboot中下載升級包來升級ubootkernel ootfs ，與MCU在BootLoader程序中完成升級類似。