嵌入式Linux的OTA更新，基礎知識和實現

OTA updates for Embedded Linux, Fundamentals and implementation

更新的需要

一旦嵌入式Linux產品離開實驗室進入現實世界，如何更新設備的問題將成為重要的考慮因素。

更新并不總是必要的，但是很難想象任何一個軟件都沒有在某個時刻被發現的bug。即使您的軟件是完美的，如果設備在網絡或internet上與任何開放源代碼庫通信，安全更新也可能成為必要。

以CVE-2104-01650（心血）為例。此漏洞影響了OpenSSL加密庫，并擴展到網絡上三分之二的網站。即使在三年后的今天，仍有許多嵌入式Linux設備運行著OpenSSL的不設防版本，完全可以被攻擊。

阻止vs文件更新

當談到更新Linux時，您可能會看到提到了“塊”和“文件”更新系統。這是指通過直接寫入塊設備或更新單個文件來執行更新，一次更新整個分區。您可能熟悉桌面或服務器Linux的文件更新系統（“例如sudo apt get upgrade”）。

在嵌入式Linux中，基于塊的升級是可行的，因為它們具有原子性，而且整個文件系統通常都是嵌入式Linux構建系統的輸出。對于特定的產品，我們希望每個嵌入式設備上的存儲空間是恒定的，所以我們每次都創建相同大小的分區。這種類型的更新與某種回退或恢復映像密切相關。

故障時的恢復

我們絕不希望設備處于不可用狀態（例如，如果發生停電）。我們可以通過確保在更新過程中發生任何錯誤時始終可以“退回”到另一個分區來解決這個問題。

更新的需要

一旦嵌入式Linux產品離開實驗室進入現實世界，如何更新設備的問題將成為重要的考慮因素。

更新并不總是必要的，但是很難想象任何一個軟件都沒有在某個時刻被發現的bug。即使您的軟件是完美的，如果設備在網絡或internet上與任何開放源代碼庫通信，安全更新也可能成為必要。

以CVE-2104-01650（心血）為例。此漏洞影響了OpenSSL加密庫，并擴展到網絡上三分之二的網站。即使在三年后的今天，仍有許多嵌入式Linux設備運行著OpenSSL的不設防版本，完全可以被攻擊。

阻止vs文件更新

當談到更新Linux時，您可能會看到提到了“塊”和“文件”更新系統。這是指通過直接寫入塊設備或更新單個文件來執行更新，一次更新整個分區。您可能熟悉桌面或服務器Linux的文件更新系統（“例如sudo apt get upgrade”）。

在嵌入式Linux中，基于塊的升級是可行的，因為它們具有原子性，而且整個文件系統通常都是嵌入式Linux構建系統的輸出。對于特定的產品，我們希望每個嵌入式設備上的存儲空間是恒定的，所以我們每次都創建相同大小的分區。這種類型的更新與某種回退或恢復映像密切相關。

故障時的恢復

我們絕不希望設備處于不可用狀態（例如，如果發生停電）。我們可以通過確保在更新過程中發生任何錯誤時始終可以“退回”到另一個分區來解決這個問題。

圖2. 發生故障時的恢復-Board Management Controller

這當然是一個復雜的解決方案，需要一個額外的微控制器、一套新的固件和更復雜的硬件設計（它用于某些設備，例如那些包含獨立的智能平臺管理接口（IPMI）控制器的設備）。因此，您應該致力于構建一個功能強大、范圍小、因此不需要更新的引導加載器。
U-Boot環境變量

U-boot實現了一個可以存儲變量的非易失性“環境”。甚至可以從Linux訪問這些文件。

這是實現上述“開關”的最明顯的方法。它還可以用來存儲有關以前引導成功或失敗的信息，以便在引導失敗的情況下可以反轉交換機并恢復工作分區。

圖3. U-boot環境變量

設置看門狗

處理器的硬件看門狗應該通過U-Boot（CONFIG_-watchdog）設置，然后在引導完成后由Linux進行維護。這將導致整個系統掛起時重置。

正在檢查引導失敗

一旦您的任務關鍵型應用程序正在運行，它應該在u-boot環境中設置一個變量，指示完成引導。然后，U-boot將能夠在下次引導時檢查是否已設置了此選項，并在引導失敗時采取措施（有時僅在連續幾次失敗之后）。

具體的體系結構將取決于您的應用程序和產品；您需要對其進行一點定制，以滿足您的需要。您將需要確定所有可能的故障模式，并對所有模式執行恢復。

實施更新

正如我們之前所說的，更新應該是一個單獨的加密簽名文件。私鑰簽名確保其來源于制造商您。現在，系統只需要將其解壓并運行一個腳本，該腳本將自行執行更新。它將覆蓋要更新的分區；輕觸任何需要的開關并重新啟動。這應該盡快進行，以盡量減少停機時間。

保護更新

我們要確保我們提供給設備的更新文件來自我們制造商，而不是來自其他人。為此，更新文件使用制造商持有的私鑰進行簽名。相應的公鑰是設備上保存的，它將驗證請求它執行更新的任何更新文件。如果提供的文件被視為無效，則更新將失敗。

正在獲取更新

更新如何到達是另一回事。這里有四種可能性：

最明顯、最簡單的一點是，更新是由一個擁有根用戶登錄設備的工程師應用的。他運行更新腳本并更新設備。這充滿了安全問題，可能只適合于開發中的系統，或者工程或工業環境中使用的系統。

將物理介質插入包含所需更新的設備（U盤）中。板上的軟件將通過輪詢守護程序或udev規則自動檢測和安裝。

通過某種方法（例如web應用程序）將更新文件上載到單個計算機。

無線更新，如下一節所述。

無線更新

“空中傳送”（OTA）更新通常指通過安全通道從中央服務器更新的設備。它通常指物聯網設備、移動電話、汽車ECU等。在本文中，我將描述一種可以在任何連接到互聯網的設備上工作的更新類型，這可能是通過Wi-Fi（空中傳送）、以太網（銅纜）或其他協議。

正在檢查更新

首先要做的是檢查更新。在設備上運行的守護進程可以向預先確定的服務器發送請求，提供其當前版本和硬件版本。然后，服務器可以根據這些信息，向設備發送一個簽名的更新文件，以便在必要時進行安裝，或者報告沒有可用的或需要的更新。

復雜性可以通過多種方式增加，從僅根據各種標準向設備子集提供更新，到對更新文件進行完全加密，再到向中央服務器報告更新狀態或其他信息。

現成與內部解決方案

有許多現成的更新機制可以與您的嵌入式Linux系統集成，而不必像上面描述的那樣重新發明輪子。在yocto項目中可以找到其中一些的比較。

這些可能需要一些時間和精力來與當前的嵌入式Linux構建系統集成，但是它可能比內部開發一個自定義方法要少，而且它可能更健壯，因為其中一些項目已經投入了數百個小時。
您可能不需要現成解決方案的原因：

你希望為你的董事會在每一個層次上定制東西

在接受一個相對較新的、未被廣泛使用或認可的大型代碼庫時，您可能會有安全問題

在ByteSnap Design，我們為各種不同的客戶提供完整的硬件和軟件解決方案。我們創建了兩個內部定制更新系統，同時集成了現成的更新系統，如NXP iMX和TI OMAP系列芯片組上的Mender。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式Linux的OTA更新，基础知识和实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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