物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速增長引發(fā)了數(shù)十億聯(lián)網(wǎng)無線嵌入式設(shè)備的出現(xiàn)。從醫(yī)療設(shè)備到水箱傳感器、智能恒溫器、智能路燈、水監(jiān)測器等，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍比以往任何時候都要廣。

可能出現(xiàn)什么問題？

這些設(shè)備中的大多數(shù)在設(shè)計上都不是惡意攻擊的目標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)上被認(rèn)為是穩(wěn)定的產(chǎn)品，但實施成本高昂，投資回報率（ROI）計劃在相當(dāng)長的生命周期內(nèi)進(jìn)行。一旦發(fā)貨，它們很少需要更新。開發(fā)更新并在該領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用它們的需求和成本隨著智能手機和操作系統(tǒng)（OS）如Android的爆發(fā)而變得普遍。

突然之間，惡意黑客現(xiàn)在將所有這些易受攻擊的連接設(shè)備作為潛在目標(biāo)，這些設(shè)備在不充分的，過時的操作系統(tǒng)和Linux內(nèi)核上運行，這些操作系統(tǒng)和Linux內(nèi)核具有尚未修補的已知漏洞，并且可以遠(yuǎn)程利用！

這不是一個非常有吸引力的前景。

安全更新：嵌入式與服務(wù)器

如今，一類新的現(xiàn)場軟件更新正在出現(xiàn)，這種更新受到安全問題的推動，但也允許工程師添加新功能和修復(fù)錯誤。

對于嵌入式設(shè)備，固件更新機制不僅必須安全，而且必須可靠，因為它要么更新成功，要么無法恢復(fù)到可恢復(fù)狀態(tài)。軟件更新絕不應(yīng)該破壞設(shè)備，并且應(yīng)該能夠在無人值守的情況下發(fā)生。大多數(shù)更新還必須保留以前的設(shè)備狀態(tài)，盡管在某些情況下，恢復(fù)設(shè)備可能涉及重置為默認(rèn)狀態(tài)。

還有原子性問題。Linux服務(wù)器世界習(xí)慣于執(zhí)行基于包的更新，一切似乎都很好。但嵌入式設(shè)備不是服務(wù)器。

服務(wù)器通常位于受控環(huán)境中，可能是安全的，并且具有有保證的電源和網(wǎng)絡(luò)連接。它還駐留在受監(jiān)視的可訪問位置，因此即使不希望用戶進(jìn)行恢復(fù)，也可以進(jìn)行用戶干預(yù)。

Linux 服務(wù)器通常依賴于包管理，通常是基于 rpm 的（已修改的黃色狗更新程序或 YUM）或基于 deb 的 （apt），具有執(zhí)行非原子增量更新的依賴關(guān)系解析。更新由軟件包版本更新驅(qū)動，每個更新都有一組復(fù)雜的安裝前/安裝后腳本，這些腳本可能會使系統(tǒng)處于未定義甚至非工作狀態(tài)。

不幸的是，嵌入式設(shè)備可能無法訪問，可能大部分時間都處于低功耗模式，使用壽命非常長，并且可能遭受可能中斷固件更新的電源或網(wǎng)絡(luò)中斷。

最終，基于包管理器的更新不是原子的，因此很難測試和支持它們。這通常會導(dǎo)致丟失對設(shè)備上固件實際狀態(tài)的跟蹤，以及可怕的“我上次在此設(shè)備上更新了什么？”問題。這不適用于期望始終一致執(zhí)行的嵌入式系統(tǒng)。

圖像更新

更新嵌入式設(shè)備的傳統(tǒng)且未經(jīng)驗證的最佳方法是執(zhí)行整個映像更新。在裸機設(shè)備中，這將是包含所有設(shè)備固件的整個映像。在嵌入式Linux設(shè)備中，這通常轉(zhuǎn)換為分區(qū)更新，因此分區(qū)方案是一個重要的考慮因素，因為它會影響可以執(zhí)行的軟件更新類型。

嵌入式 Linux 設(shè)備通常會將媒體劃分為可以單獨更新的不同分區(qū)：

引導(dǎo)加載程序分區(qū)： 很少（如果有的話）更新，在現(xiàn)場更新嵌入式設(shè)備的引導(dǎo)加載程序?qū)?dǎo)致設(shè)備最終變磚。因此，經(jīng)過深思熟慮的更新機制會盡可能避免這種情況。

引導(dǎo)/內(nèi)核分區(qū)： Linux 內(nèi)核和相關(guān)工件（如設(shè)備樹和 initramfs 映像）通常出于安全性而不是功能原因而發(fā)生。通常不需要更新。

根文件系統(tǒng)分區(qū)： 存儲操作系統(tǒng)文件的位置通常是只讀不可變的。這也很少更新，但如果應(yīng)用程序依賴于此處的庫，則可能會更頻繁地發(fā)生這種情況。

用戶分區(qū)： 用戶應(yīng)用程序和持久性數(shù)據(jù)的存儲位置是最常需要更新的分區(qū)。

基本上，映像固件更新的范圍可以從整個系統(tǒng)（即內(nèi)核、根和用戶分區(qū)）到其中一些分區(qū)。

有兩種類型的映像更新是可能的：對稱的和不對稱的。

對稱： 對稱更新需要正在更新的分區(qū)映像的雙重副本，以便可以在另一個正在運行時更新一個分區(qū)映像。這通常需要兩個引導(dǎo)/內(nèi)核分區(qū)、兩個根文件系統(tǒng)以及兩個用戶分區(qū)。然后，引導(dǎo)加載程序跟蹤給定引導(dǎo)要使用的分區(qū)。對稱更新具有最短的停機時間，通常只有重新啟動時間，并允許取消更新。

非 對稱： 非對稱更新使用通常從內(nèi)存運行的恢復(fù)操作系統(tǒng)，具有 Linux 內(nèi)核和初始化映像。這減少了所需的分區(qū)數(shù)，因為恢復(fù)模式僅存在于一個額外的分區(qū)中，并且可以更新任何其他分區(qū)。如果更新失敗，可以重試恢復(fù)。非對稱更新在更新時具有更長的停機時間，并且不允許用戶取消。

用戶空間更新程序應(yīng)用程序

通常，更新由用戶空間應(yīng)用程序執(zhí)行，該應(yīng)用程序提取軟件更新包，應(yīng)用它，并將更新通知引導(dǎo)加載程序。它還需要允許進(jìn)行安裝后操作。然后，引導(dǎo)加載程序啟動硬件監(jiān)視程序并嘗試引導(dǎo)。如果引導(dǎo)成功，則硬件看門狗被停用;如果不是，則觸發(fā)它，并且引導(dǎo)加載程序會再次嘗試引導(dǎo)。經(jīng)過多次嘗試后，它要么交換回已知良好的分區(qū)，要么進(jìn)入恢復(fù)模式。

一個重要的考慮因素是用戶空間更新固件必須可通過固件更新過程進(jìn)行更新。另一個風(fēng)險是，可能會更新到固件更新機制損壞的可啟動系統(tǒng)。不幸的是，有必要回退到引導(dǎo)加載程序或其他恢復(fù)機制來更新固件。

某些系統(tǒng)使用引導(dǎo)加載程序來執(zhí)行更新。這有一些嚴(yán)重的缺點。如果必須更新固件更新代碼（例如，由于分區(qū)更改），則需要更新引導(dǎo)加載程序，這是非常危險的。引導(dǎo)加載程序在它支持的驅(qū)動程序、工具、庫和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)量上也非常有限，因此更新發(fā)生在資源有限的環(huán)境中。

基于簽名映像的開源軟件更新有兩個主要選項，同時支持對稱和非對稱更新：

瑞典語更新（在 GPLv2 許可證下） – 在 Yocto 中通過元更新層支持瑞典語更新（但僅限于對稱更新）。它還包含一個貓鼬Web服務(wù)器，Suricatta守護(hù)進(jìn)程，用于將更新從具有REST客戶端的遠(yuǎn)程服務(wù)器拉取到Eclipse HawkBit ［2］（一種后端解決方案，用于將軟件更新部署到終端設(shè)備）。它目前僅適用于 U-Boot 引導(dǎo)加載程序。

勞克 ，在 LGPLv2.1 許可證下 – RAUC 在約克托中通過元 ptx 層受支持，并支持 Grub 或裸盒引導(dǎo)加載程序。

遠(yuǎn)程映像更新

固件更新過程必須能夠從本地源（例如，閃存、USB、μSD 或 UART）進(jìn)行遠(yuǎn)程更新，也可以遠(yuǎn)程更新通常稱為無線 （OTA） 更新。OTA 更新使用遠(yuǎn)程服務(wù)器將更新推送到設(shè)備上運行的客戶端。

開源遠(yuǎn)程 OTA 固件更新的一些選項包括：

Mender.io ，在 Apache 2 許可證下 – Mender.io 同時用于客戶端和服務(wù)器。它在約克托中通過元修正層得到支持。服務(wù)器可以充當(dāng)部署服務(wù)器和生成項目管理器，但也包含設(shè)備管理控制臺。

數(shù)字國際遠(yuǎn)程管理器 ，在 MPLv2 許可證下 –Digi遠(yuǎn)程管理器具有專有的基于云的服務(wù)器和開源客戶端。它在約克托中通過元數(shù)字層得到支持。服務(wù)器可以充當(dāng)部署服務(wù)器、生成項目管理器，還包含具有設(shè)備報告和監(jiān)視功能的設(shè)備管理控制臺。

Eclipse HawkBit ，在日食公共許可證下 – Eclipse HawkBit 是一個 Eclipse 公共許可證服務(wù)器，它還充當(dāng)部署服務(wù)器、構(gòu)建工件管理器和設(shè)備管理器，具有設(shè)備報告和監(jiān)視功能。

完整映像更新通常存在大尺寸的問題，這對于帶寬不自由或不寬的資源受限應(yīng)用程序（如蜂窩）來說可能是個問題。差異映像固件更新是解決此問題的良好折衷方案，因為實際上只傳輸以前版本中的增量。

容器化更新

容器化應(yīng)用程序的使用簡化了軟件更新用例，因為應(yīng)用程序可以單獨更新。

容器更新建立在不可變分發(fā)（可能是只讀文件系統(tǒng)）上，其中應(yīng)用程序僅存在于可由容器增量升級的容器中。

使用基于容器的固件更新的開源項目的一些示例如下：

Resin.io – Resin.io 是基于 Docker 的，具有專有的 OTA 更新服務(wù)器和 Apache 2 許可客戶端。它通過元樹脂層在Yocto中支撐。

Ubuntu “Snappy” Core–Ubuntu Core 是一個基于 Ubuntu 的最小操作系統(tǒng)，它提供了足夠的功能來更新具有增量的類似容器的應(yīng)用程序。

還有一些新的操作系統(tǒng)設(shè)計用于托管Docker應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序最終可能會在嵌入式空間中使用，例如CoreOS ［8］（在arm64上）和原子計劃（基于Fedora / CentOS / RHEL的操作系統(tǒng)，使用rpm-ostree（基于lipbostree）而不是rpm）。

增量二進(jìn)制原子操作系統(tǒng)更新

最后，嵌入式市場即將到來的趨勢是增量的每文件原子更新，可以根據(jù)需要快速部署或回滾，同時保持完整的部署歷史記錄。

一些開源示例項目：

libOSTree– libOSTree 由一個定義為“操作系統(tǒng)二進(jìn)制文件的 Git”的庫和命令行工具組成。它使用類似 git 的對象來存儲和部署操作系統(tǒng)增量，每個增量都有一個持久數(shù)據(jù)的副本。Yocto有一個元更新程序?qū)涌梢岳盟?。它也用于操作系統(tǒng)，如項目原子。

swupd – swupd最初是 ClearLinux 的一部分，由英特爾贊助。它與 libOSTree 非常相似，在約克托中通過元-swupd 層支持。

縮小選項范圍

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的出現(xiàn)，固件更新不僅僅是一件好事，而且是新產(chǎn)品開發(fā)所需的功能。需要盡早考慮固件更新策略的選擇，因為它會影響未來的產(chǎn)品設(shè)計決策。與所有早期決策一樣，錯誤的選擇會給開發(fā)時間帶來沉重的負(fù)擔(dān)。

上市時間緊迫的項目可能會傾向于更傳統(tǒng)的、久經(jīng)考驗的全映像固件更新策略。其中包括通過Yocto項目的元更新層提供的一個，以及企業(yè)就緒的OTA更新解決方案，如Digi國際的遠(yuǎn)程管理器。

然而，處于前沿的項目可以通過容器化應(yīng)用程序設(shè)計擴展整個系統(tǒng)固件更新方法，該設(shè)計允許應(yīng)用程序與系統(tǒng)更新隔離。

審核編輯：郭婷