MCU OTA升級與Linux OTA升級

一、簡介

01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(lán)牙。

通過有線方式進(jìn)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。

02優(yōu)點

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

物聯(lián)網(wǎng)平臺支持通過OTA方式進(jìn)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。

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)。

03實現(xiàn)原理

核心流程：

制作升級包

下載升級包

驗簽升級包

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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)入bootloader模式，然后再進(jìn)行升級，整個升級過程中手機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)程序的OTA升級。由于裸機(jī)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(jī)器碼，對MCU進(jìn)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(jī)器碼替換為新固件的機(jī)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(jìn)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：

什么是消息摘要?

什么是非對稱加解密?私鑰與公鑰?

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(jī)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

01制作升級包

通過簽名工具使用簽名算法對固件進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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。

02下載升級包

根據(jù)上位機(jī)軟件和MCU設(shè)備約定的通信協(xié)議，上位機(jī)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：

在應(yīng)用程序中下載：后臺式

在BootLoader中下載：非后臺式

03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。

04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(jìn)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：

01系統(tǒng)升級

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

由于ubootkernel ootfs在flash分區(qū)中是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲的，與MCU固件在flash中存的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)一樣，包括ubootkernel ootfs的升級文件也是以二進(jìn)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。