電子發(fā)燒友App
一、簡介
01概念
OTA：Over-the-Air Technology，即空中下載技術。
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，比如網絡/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通信接口來升級設備固件。
02優(yōu)點
通過OTA方式，可以對分布在各地的設備進行軟件升級，而不必讓運維人員各地奔波。
物聯(lián)網平臺支持通過OTA方式進行設備固件升級，是智能設備修復系統(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)網市場，新的產品需求不斷涌現(xiàn)，因此對于智能硬件設備的更新需求就變得空前高漲，設備不再像傳統(tǒng)設備一樣一經出售就不再變更。通過固件升級用戶提供更好的服務。
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用程序功能的一部分，在新固件下載過程中，應用可以正常使用，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，應用程序先把新固件下載到bank1中，只有當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，可以說此時設備已經“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")
密碼學基礎概念：
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
01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
根據上位機軟件和MCU設備約定的通信協(xié)議，上位機軟件將升級包通過OTA方式發(fā)送給MCU設備，
MCU設備收到數(shù)據后，根據通信協(xié)議解析出升級包的數(shù)據，并將升級包的數(shù)據保存到存儲器中。
通信協(xié)議的作用：
通訊雙方約定俗成地用于數(shù)據交流的格式。
下載的方式：
在應用程序中下載：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設備從應用程序進入BootLoader程序，在BootLoader程序中將flash中的新固件數(shù)據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(引導啟動程序)、kernel(內核)和 rootfs(根文件系統(tǒng))。
三者在flash中的分區(qū)如下：應用程序存放于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)進行升級，也就是對flash中這三個分區(qū)的數(shù)據進行更新替換。
由于ubootkernel ootfs在flash分區(qū)中是以二進制數(shù)據存儲的，與MCU固件在flash中存的是二進制數(shù)據一樣，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。
02應用程序升級
在Linux系統(tǒng)中，應用程序是存放在文件系統(tǒng)中，并以可執(zhí)行程序文件的方式存在，其在系統(tǒng)中就是文件，這與MCU固件存放在flash分區(qū)的方式不同。
應用程序的升級流程與MCU固件、Linux系統(tǒng)升級基本一致。應用程序的升級除了可以升級可執(zhí)行文件外，還可以升級配置文件等。
應用程序升級流程：
制作升級包(打包簽名工具)、下載升級包(下載工具)、升級包驗簽、程序更新
與 MCU OTA 升級區(qū)別：
制作升級包：將應用程序相關的文件(可執(zhí)行程序、庫文件、配置文件等)打包為壓縮包，作為一個整體再進行簽名。
升級包下載和驗簽通過后，將壓縮包解壓，可以得到應用程序的相關文件。
應用程序的更新，可以通過啟動應用程序的程序來更新，如啟動腳本、啟動程序，類似MCU升級的BootLoader程序作用。
更新方式：
直接覆蓋舊程序;
保留舊程序，執(zhí)行新程序;
直接覆蓋舊程序：
保留舊程序，執(zhí)行新程序：
如pingpong操作
四、總結
OTA升級的核心：
審核編輯：湯梓紅
工商網監(jiān)
評論