嵌入式Linux的OTA更新,第1部分-基础知识和实现

一旦嵌入式Linux产品离开实验室进入现实世界,如何更新设备的问题将成为重要考虑。

更新并不总是必要的,但是很难想出有哪些软件没有在某个时候发现的错误。即使您的软件是完美的,如果设备在网络上或互联网上与任何开源库进行通信,安全更新也可能成为必需品。

以CV-2104-01650(心出血)为例。这个漏洞影响了开放SSL密码库,也影响了网络上三分之二的网站。即使在三年后的今天,还有很多嵌入式的Linux设备运行着一个未经防御的版本的开放式攻击。

块与文件更新

在讨论更新Linux时,您可能会看到"块"和"文件"更新系统正在被提及。这是指通过直接写入块设备或更新单个文件来一次更新整个分区。您可能熟悉来自台式机或服务器Linux的文件更新系统(例如"Sudo应用程序升级")。

在基于嵌入式Linux块的升级中,由于其原子性和整个文件系统通常是嵌入式Linux构建系统的输出这一事实,这是前进的道路。我们希望每个嵌入式设备上的存储空间对于一个特定的产品来说是常量的,所以我们每次都创建相同的大小分区。这种类型的更新与具有某种备份或恢复的图像同时进行。

失败时回收

我们绝不希望该设备处于无法使用的状态(例如,如果发生断电)。我们可以通过确保在更新过程中出现任何错误时总是有可能"退回"到另一个分区来解决这个问题。

图1失败时的恢复-撤退选项

上面您可以看到两个可能的实现,在电源中断的情况下,一个备份模式。在左侧,引导加载程序启动一个救援分区,然后引导进入一个主分区。在右侧,引导加载程序启动基于开关的两个分区之一。

引导加载程序应该实现某种方法,以确定引导是否成功,如果没有,则应该返回到救援分区(左侧图)或先前的工作分区(右侧图)。

救援方法(左)允许向主分区提供更多的空间,而双根方法(右)要求在两个分区之间或多或少地平均分配空间。如果空间不是一个问题,那么建议使用双根法,只是因为它会减少停机时间。通过救援方法更新需要两次重新启动,一次进入救援分区,另一次回到主分区。双根文件方法只需要重新启动一次,因为任何时候都可以执行更新。

在这些系统中,您无法安全地更新的是引导加载程序(或者说救援分区)。如果您也希望能够更新引导加载程序,那么您将需要两个独立的引导加载程序分区,以及某种董事会管理控制器来实现在这两个程序之间切换的逻辑。

图2故障恢复--董事会管理控制器

当然,这是一个复杂的解决方案,需要一个额外的微控制器,一套新的固件,以及一个更复杂的硬件设计(它在一些设备中使用,例如那些包含单独的智能平台管理接口(IPMI)控制器的设备)。因此,您应该致力于构建一个功能性的引导加载程序,其范围小,因此不需要更新。

U-脚环境变量

U-Boot实现了一个可以存储变量的非易失性"环境"。这些数据甚至可以从Linux中访问(根据环境存储方式的不同,有不同的方式)。这是实现上述"转换"的最明显方式。它还可以用来存储有关以前引导成功或失败的信息,以便在引导失败的情况下,可以逆转开关,恢复工作分区。

图3u-Boot环境变量

安装看门狗

您的处理器的硬件监视器应该由U-Boot(康菲-沃奇狗)安装,然后在启动完成后由Linux维护。这将导致在整个系统挂起的情况下重置。

检查引导失败

一旦您的任务关键应用程序运行完毕,它应该在U-Boot环境中设置一个变量,表示已完成的引导。然后,U脚将能够检查下一个引导是否设置了这个设置,如果引导失败(有时是在连续几次失败之后),则采取行动。

它的精确架构将取决于您的应用程序和产品;您将需要稍微定制一下,以适应您的需求。您将需要确定所有可能的失败模式,并实现所有这些模式的恢复。

实施更新

正如我们在更新之前所说的,应该作为一个单独的密码签名文件出现。私钥签名确保其来源于你,制造商。现在系统只需要打开它并在其中运行一个脚本来执行更新本身。它将写入将要更新的分区;轻弹需要的任何开关并重新启动。这应该尽快发生,以尽可能减少停机时间。

确保更新

我们希望确保提供给设备的更新文件是来自我们的制造商,而不是来自其他人。为了实现这一点,更新文件与一个由制造商持有的私钥签署。相应的公钥是设备上的所持有的,它将验证要求它执行更新的任何更新文件。如果提供的文件被视为无效,那么更新将失败。

得到更新

更新如何到达是另一回事。这里有四种可能性:

最明显和最简单的是,更新是由一个工程师应用的,他在设备上有一个根登录。他运行更新脚本,设备被更新。这充满了安全方面的担忧,可能仅适用于正在开发的系统,或在工程或工业环境中使用的系统。

物理介质插入设备(USB棒),其中包含所需的更新.板上的软件将通过轮询守护进程或UDEV规则自动检测和安装。

通过某些方法(例如Web应用程序)将更新文件上传到单个机器上。

如下一节所描述的,实时更新。

广播最新消息

超空(OTA)更新通常是指通过安全通道从中央服务器上更新的设备。它一般指的是多功能设备、移动电话、汽车ECU等。在本文中,我将描述一种可以在任何连接到互联网的设备上工作的更新类型,这可能是通过Wi-Fi(超广播)、以太网(超铜)或其他协议。

查询更新情况

首先要做的是检查更新情况。在设备上运行的守护进程可以将请求发送到预定的服务器,提供其当前的版本和硬件版本。然后,服务器可以根据该信息,在必要时将签名更新文件发送到设备上进行安装,或者报告没有可用的或不需要的更新。

复杂性可以在许多方面增加,从仅提供更新到基于不同标准的设备子集,到完全加密更新文件,到向中央服务器报告更新状态或其他信息。

现成与内部解决方案

有许多现成的更新机制可以与您的嵌入式Linux系统集成,而无需重新发明上述的车轮。

这可能需要花费一些时间和努力来集成到您当前的嵌入式Linux构建系统中,但是它可能比在内部开发定制方法的工作要少,而且它可能更健壮,因为其中一些项目已经投入了数百小时。

你可能不希望现成的解决方案的原因:

你希望为你的董事会定制每个级别的东西

你可能在使用一个相对较新的,而且没有被广泛使用或认可的大型代码库时会有安全问题。