嵌入式系统固件差分升级（Delta OTA）技术深度解析

在嵌入式系统领域，随着产品功能的不断迭代和更新，固件升级成为了一项至关重要的任务。传统的全量升级方式虽然直接有效，但在面对大量设备、大体积固件以及有限带宽的情况下，其效率和成本问题日益凸显。为此，差分升级（Delta OTA）技术应运而生，它通过仅传输新旧固件之间的差异部分，显著提高了升级效率，降低了带宽占用。本文将深入解析嵌入式系统固件差分升级技术，包括其原理、优势、实现步骤以及实际代码示例。

一、差分升级技术原理

差分升级技术的核心在于比较新旧固件之间的差异，并将这些差异部分生成一个差分包（Delta Package）。在设备端接收到差分包后，利用差分算法将差分包应用到旧固件上，从而生成新的固件。这一过程类似于文件系统的增量备份和恢复，但针对的是整个固件。

二、差分升级技术的优势

提高升级效率：由于只传输差异部分，差分升级显著减少了传输的数据量，从而提高了升级速度。

降低带宽占用：对于大规模设备部署场景，差分升级能够显著降低对网络带宽的需求。

减少存储空间占用：在设备端，差分升级只需存储差分包，而不需要完整的新固件，从而节省了存储空间。

三、差分升级技术的实现步骤

生成差分包：

使用差分算法比较新旧固件，生成差分包。

差分算法可以选择BSDiff、XDelta等成熟算法。

传输差分包：

将生成的差分包通过网络传输到设备端。

应用差分包：

设备端接收到差分包后，利用差分算法将差分包应用到旧固件上，生成新固件。

在应用差分包之前，通常需要进行完整性校验，以确保差分包未被篡改。

四、差分升级技术的实际应用

以基于STM32单片机的嵌入式系统为例，我们可以使用BSDiff算法生成差分包，并在设备端使用BSDiff算法应用差分包。以下是一个简化的代码示例：

c

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include "bsdiff.h"

// 假设old_firmware和new_firmware分别为旧固件和新固件的文件路径

// delta_firmware为生成的差分包文件路径

void generate_delta(const char *old_firmware, const char *new_firmware, const char *delta_firmware) {

   FILE *old_file = fopen(old_firmware, "rb");

   FILE *new_file = fopen(new_firmware, "rb");

   FILE *delta_file = fopen(delta_firmware, "wb");

   if (!old_file || !new_file || !delta_file) {

       perror("Failed to open files");

       exit(EXIT_FAILURE);

   }

   fseek(old_file, 0, SEEK_END);

   long old_size = ftell(old_file);

   fseek(old_file, 0, SEEK_SET);

   fseek(new_file, 0, SEEK_END);

   long new_size = ftell(new_file);

   fseek(new_file, 0, SEEK_SET);

   void *old_data = malloc(old_size);

   void *new_data = malloc(new_size);

   if (!old_data || !new_data) {

       perror("Failed to allocate memory");

       exit(EXIT_FAILURE);

   }

   fread(old_data, 1, old_size, old_file);

   fread(new_data, 1, new_size, new_file);

   bsdiff(old_data, old_size, new_data, new_size, delta_file);

   free(old_data);

   free(new_data);

   fclose(old_file);

   fclose(new_file);

   fclose(delta_file);

}

// 假设delta_firmware为接收到的差分包文件路径

// old_firmware为设备端存储的旧固件文件路径

// new_firmware为升级后的新固件文件路径

void apply_delta(const char *old_firmware, const char *delta_firmware, const char *new_firmware) {

   FILE *old_file = fopen(old_firmware, "rb");

   FILE *delta_file = fopen(delta_firmware, "rb");

   FILE *new_file = fopen(new_firmware, "wb");

   if (!old_file || !delta_file || !new_file) {

       perror("Failed to open files");

       exit(EXIT_FAILURE);

   }

   fseek(old_file, 0, SEEK_END);

   long old_size = ftell(old_file);

   fseek(old_file, 0, SEEK_SET);

   void *old_data = malloc(old_size);

   fread(old_data, 1, old_size, old_file);

   bspatch(old_data, old_size, delta_file, new_file);

   free(old_data);

   fclose(old_file);

   fclose(delta_file);

   fclose(new_file);

}

int main() {

   const char *old_firmware = "old_firmware.bin";

   const char *new_firmware = "new_firmware.bin";

   const char *delta_firmware = "delta_firmware.bin";

   generate_delta(old_firmware, new_firmware, delta_firmware);

   apply_delta(old_firmware, delta_firmware, new_firmware);

   printf("Delta OTA completed successfully\n");

   return 0;

}

在这个示例中，generate_delta函数用于生成差分包，而apply_delta函数用于在设备端应用差分包。需要注意的是，这只是一个简化的示例，实际应用中还需要考虑文件校验、错误处理以及网络传输等细节。

五、结论

差分升级技术通过仅传输新旧固件之间的差异部分，显著提高了升级效率，降低了带宽占用和存储空间占用。在嵌入式系统领域，差分升级技术已经成为固件升级的主流方式之一。未来，随着物联网技术的不断发展，差分升级技术将发挥更加重要的作用。