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(cè)器等，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍比以往任何時(shí)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(jì)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(shí)施成本高昂，投資回報(bào)率（ROI）計(jì)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(jī)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(shí)的操作系統(tǒng)和Linux內(nèi)核上運(yùn)行，這些操作系統(tǒng)和Linux內(nèi)核具有尚未修補(bǔ)的已知漏洞，并且可以遠(yuǎn)程利用！

這不是一個(gè)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(chǎng)軟件更新正在出現(xiàn)，這種更新受到安全問題的推動(dòng)，但也允許工程師添加新功能和修復(fù)錯(cuò)誤。

對(duì)于嵌入式設(shè)備，固件更新機(jī)制不僅必須安全，而且必須可靠，因?yàn)樗锤鲁晒Γ礋o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(dòng)，每個(gè)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(huì)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(shí)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(cè)試和支持它們。這通常會(huì)導(dǎo)致丟失對(duì)設(shè)備上固件實(shí)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(yàn)證的最佳方法是執(zhí)行整個(gè)映像更新。在裸機(jī)設(shè)備中，這將是包含所有設(shè)備固件的整個(gè)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(gè)重要的考慮因素，因?yàn)樗鼤?huì)影響可以執(zhí)行的軟件更新類型。

嵌入式 Linux 設(shè)備通常會(huì)將媒體劃分為可以單獨(dú)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(chǎng)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(jī)制會(huì)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(chǔ)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(huì)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(chǔ)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(gè)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(duì)稱的和不對(duì)稱的。

對(duì)稱： 對(duì)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(gè)正在運(yùn)行時(shí)更新一個(gè)分區(qū)映像。這通常需要兩個(gè)引導(dǎo)/內(nèi)核分區(qū)、兩個(gè)根文件系統(tǒng)以及兩個(gè)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(duì)稱更新具有最短的停機(jī)時(shí)間，通常只有重新啟動(dòng)時(shí)間，并允許取消更新。

非 對(duì)稱： 非對(duì)稱更新使用通常從內(nèi)存運(yùn)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?yàn)榛謴?fù)模式僅存在于一個(gè)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(duì)稱更新在更新時(shí)具有更長的停機(jī)時(shí)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(dòng)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(huì)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(gè)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)是，可能會(huì)更新到固件更新機(jī)制損壞的可啟動(dòng)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(jī)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(diǎn)。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(xiǎn)的。引導(dǎo)加載程序在它支持的驅(qū)動(dòng)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(gè)主要選項(xiàng)，同時(shí)支持對(duì)稱和非對(duì)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(duì)稱更新）。它還包含一個(gè)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(yùn)行的客戶端。

開源遠(yuǎn)程 OTA 固件更新的一些選項(xiàng)包括：

Mender.io ，在 Apache 2 許可證下 – Mender.io 同時(shí)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(xiàng)目管理器，但也包含設(shè)備管理控制臺(tái)。

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(xiàng)目管理器，還包含具有設(shè)備報(bào)告和監(jiān)視功能的設(shè)備管理控制臺(tái)。

Eclipse HawkBit ，在日食公共許可證下 – Eclipse HawkBit 是一個(gè) 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(bào)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(duì)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(gè)問題。差異映像固件更新是解決此問題的良好折衷方案，因?yàn)閷?shí)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(jiǎn)化了軟件更新用例，因?yàn)閼?yīng)用程序可以單獨(dú)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(jí)的容器中。

使用基于容器的固件更新的開源項(xiàng)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(gè)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(jì)用于托管Docker應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序最終可能會(huì)在嵌入式空間中使用，例如CoreOS ［8］（在arm64上）和原子計(jì)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(chǎng)即將到來的趨勢(shì)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(shí)保持完整的部署歷史記錄。

一些開源示例項(xiàng)目：

libOSTree– libOSTree 由一個(gè)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(duì)象來存儲(chǔ)和部署操作系統(tǒng)增量，每個(gè)增量都有一個(gè)持久數(shù)據(jù)的副本。Yocto有一個(gè)元更新程序?qū)涌梢岳盟Ｋ灿糜诓僮飨到y(tǒng)，如項(xiàng)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(xiàng)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?yàn)樗鼤?huì)影響未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)決策。與所有早期決策一樣，錯(cuò)誤的選擇會(huì)給開發(fā)時(shí)間帶來沉重的負(fù)擔(dān)。

上市時(shí)間緊迫的項(xiàng)目可能會(huì)傾向于更傳統(tǒng)的、久經(jīng)考驗(yàn)的全映像固件更新策略。其中包括通過Yocto項(xiàng)目的元更新層提供的一個(gè)，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(xiàng)目可以通過容器化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)固件更新方法，該設(shè)計(jì)允許應(yīng)用程序與系統(tǒng)更新隔離。

審核編輯：郭婷