CN112087515A - 终端固件空中升级系统及空中升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种终端固件空中升级系统及空中升级方法，系统包括至少一台远端服务器及多台终端，各台终端依据自身的组网限定条件进行自主组网，同时满足各自组网限定条件的多台终端通过自主组网的方式共同形成一个终端集群；远端服务器及终端集群内均存储有用于实现终端固件空中升级的固件升级数据；当系统中存在需要进行固件升级的终端时，该终端可以从远端服务器及终端集群处获取固件升级数据。本发明将物联网与区块链相结合，终端在执行升级操作时会从多个来源处获取升级所需数据，因此数据获取效率将会得到极大地提升。

Description

终端固件空中升级系统及空中升级方法

技术领域

本发明为一种固件升级系统及对应的升级方法，具体涉及一种分布式的终端固件空中升级系统及空中升级方法，属于计算机科学技术领域。

背景技术

工业互联网是指一个开放、全球化的网络，能够将人、数据和机器连接起来，这一概念自2013年被提出，至今一直受到了全世界范围内的广泛关注，各类相关技术及配套的智能硬件也得到了如火如荼的发展。

其中，固件作为智能硬件中的软件控制系统，可以说是智能硬件的灵魂、硬件智能化的基础与保证。在实际的应用过程中，随着系统整体的更新，一旦发现固件部分未能及时匹配或存在缺陷，就需要及时进行升级操作。随着全世界范围内科技水平的提升，近年来，技术更新换代时间的大幅缩短，硬件终端中固件普遍面临需要频繁升级的问题。

目前常见的固件升级方式主要包括两种，一种是通过载体升级，例如向终端插入搭载有升级程序的存储介质完成升级，另一种是通过网络升级（即空中升级），终端从远端服务器下载升级程序进行安装或是直接在线安装。由于在现有操作中，载体升级的方式执行效率很低且成本高昂，因此在现阶段绝大多数场景中都会使用空中升级方式，相较而言，这样的操作方式不仅成本低廉、作业效率也有所提升。

目前的空中升级操作，在终端数量较少时，并不会出现显著的问题。而在需要升级的终端数量较多时，现有方式中所存在着的一些无法克服的技术弊端就会逐步显现。

在现有的空中升级的方式中，网络路径普遍较长，而过长的网络路径直接导致网络连接的不稳定性增加，不仅容易出现中断的情况而且传输速度十分有限。此外，在终端大规模升级场景下，服务端需要很大的网络下行管道与处理能力，极易发生数据阻塞，从而进一步降低效率、增加成本。尽管在许多应用场景中，对于升级效率的可容忍度很高，但在一些需要紧急升级的场景下，例如受到了安全威胁或使用寿命威胁、需要及时更新固件时，此时升级效率就显得至关重要。

综合上述技术现状，现阶段业内关于固件空中升级的主流研究方向普遍聚焦于数据链通讯协议的改进以及升级程序的压缩，但这些都无法从根本上提升固件的升级效率。因此，如何提出一种更高效、低成本的终端固件空中升级系统及空中升级方法，以克服现有技术中所存在的不足，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种分布式的终端固件空中升级系统及空中升级方法，具体如下。

一种终端固件空中升级系统，包括至少一台远端服务器及多台终端，多台所述终端均分别与所述远端服务器信号连接；各台所述终端依据自身的组网限定条件进行自主组网，同时满足各自组网限定条件的多台所述终端通过自主组网的方式共同形成一个终端集群；

所述远端服务器及单个所述终端集群中的至少一台所述终端内均存储有用于实现终端固件空中升级的固件升级数据；当系统中存在需要进行固件升级的所述终端时，该终端可以将所述远端服务器及所述终端集群作为源端、从源端处获取固件升级数据。

优选地，所述终端的组网限定条件为本终端与其他终端或本终端与所述远端服务器间的网络时延小于预设的网络时延阈值或网络跳数小于预设的网络跳数阈值；

所述网络时延阈值及所述网络跳数阈值的设置方式包括依靠人工经验设置或通过机器学习算法训练后设置。

优选地，所述固件升级数据以数据块的形式、由所述源端向所述终端进行数据分发；

每一部分所述数据块内均包含有以区块链形式记录的校验信息，所述校验信息的长度有限。

一种终端固件空中升级方法，基于如上所述的终端固件空中升级系统，包括如下步骤：

S1、建立终端固件空中升级系统，保证所建立的系统网络拓扑内存在有至少一个终端集群；

S2、需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑发送升级数据传送请求，随后从每个源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片；

S3、接收到全部所述数据分片后，所述终端对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据并完成固件升级操作。

优选地，所述S1包括如下步骤：

S11、开启终端，使所述终端与远端服务器及其他所述终端或已完成自主组网的终端集群信号连接；

S12、所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送组网请求及该所述终端的组网限定条件，发送形式包括广播发送以及面向所述终端集群的定向发送；

S13、其他所述终端或所述终端集群接收到组网请求及组网限定条件后，将来自于所述终端的组网限定条件与其自身的组网限定条件进行比对，

若双方同时满足二者各自的组网限定条件，则返回同意组网的信息并与所述终端进行组网或将所述终端纳入已有终端集群中；

若双方不能同时满足二者各自的组网限定条件，则不返回信息；

S14、所述终端更新并保存此时的系统网络拓扑，随后依据系统网络拓扑情况赋予路径权重；

S15、依据预设的时间间隔，循环执行S12~S14，维护所述终端固件空中升级系统。

优选地，所述S14中依据系统网络拓扑情况赋予路径权重，路径权重百分比

的计算公式为：

，

其中，

为路径网络时延阈值，

，

，

，

。

优选地，所述S15中维护所述终端固件空中升级系统，包括如下步骤：

在进行组网限定条件的比对时，若出现双方不能同时满足二者各自的组网限定条件且二者已经完成组网的情况，则返回解除组网信息并解除组网或将所述终端排出已有终端集群外；

在所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送的组网请求超时后，所述终端将对端从系统网络拓扑中删除并保存此时的系统网络拓扑。

优选地，所述S2包括如下步骤：

所述终端固件空中升级系统内任一需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑、以所述远端服务器及所述终端集群作为源端、向所述源端发送升级数据传送请求，随后从每个所述源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片；

所述终端在发送升级数据传送请求时，依据系统网络拓扑及路径权重分配针对不同所述源端的请求内容。

优选地，所述S3包括如下步骤：

S31、所述终端被动接收到来自所述源端的全部的所述数据分片后，对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据；

S32、所述终端通过校验信息对所述固件升级数据进行完整性检查，

若检查通过则更新校验信息并利用所述固件升级数据完成对所述终端的固件升级，按序进入S33，

若检查不通过则将未能通过的数据块进行删除，并向所述源端再次请求缺失部分的数据分片，跳转返回S31；

S33、所述终端基于已保存的系统网络拓扑推送升级信息。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所述的一种终端固件空中升级方法，将物联网与区块链相结合，显著地提升了固件升级效率。由于在本发明的方法中，终端在执行升级操作时会从多个来源处获取升级所需数据，因此数据获取效率将会得到极大地提升。加之终端集群是在满足特定约束条件地前提下进行组建的，因此其网络条件远远优于终端与远端服务器间的网络条件，因此在进行数据传输时更有保障。

其次，本发明的一种终端固件空中升级方法在安全性方面显著优于现有技术，不同于现有方法中需要经过开放网络的操作，本发明的方法使得系统整体在一个相对封闭的网络环境中进行通信，并且应用了区块链对数据进行校验，极大地提升了数据传输的安全性，并且无需依赖远端服务器即可完成终端升级，进一步丰富了固件升级的方式。

此外，本发明的方法流程清晰、可重复性强，具有一定的普适性特征，应用前景广阔并具有极高的使用价值。使用者还可以根据自身实际的应用需要对其中的部分操作进行调整，进而将本发明的方法应用于各种有关固件空中升级的操作中，从而进一步拓宽本发明的适用范围。

附图说明

图1为本发明的方法中终端自组网流程示意图；

图2为本发明的方法中终端空中升级流程示意图；

图3为本发明的实施例中终端A未开机时的系统网络拓扑；

图4为本发明的实施例中终端A完成自主组网后的系统网络拓扑。

具体实施方式

本发明揭示了一种分布式的终端固件空中升级系统及空中升级方法，通过边云协同、边边协同的方式显著地提升了固件升级效率，克服了传统方法中远端服务器与终端之间的弱网环境带来的效率低下问题。同时，本发明还通过物联网+区块链的架构设计，在保证了系统高效协作的同时显著地提升了系统数据传输过程中的安全性，具体方案如下。

一种终端固件空中升级系统，包括至少一台远端服务器及多台终端，多台所述终端均分别与所述远端服务器信号连接。各台所述终端依据自身的组网限定条件进行自主组网，同时满足各自组网限定条件的多台所述终端通过自主组网的方式共同形成一个终端集群。

所述远端服务器及单个所述终端集群中的至少一台所述终端内均存储有用于实现终端固件空中升级的固件升级数据。当系统中存在需要进行固件升级的所述终端时，该终端可以将所述远端服务器及所述终端集群作为源端、从源端处获取固件升级数据。

所述终端的组网限定条件为本终端与其他终端或本终端与所述远端服务器间的网络时延小于预设的网络时延阈值或网络跳数小于预设的网络跳数阈值。

所述网络时延阈值及所述网络跳数阈值的设置方式包括依靠人工经验设置或通过机器学习算法训练后设置。

所述固件升级数据以数据块的形式、由所述源端向所述终端进行数据分发。

每一部分所述数据块内均包含有以区块链形式记录的校验信息，所述校验信息的长度受限、不会无限增加。

一种终端固件空中升级方法，基于如上所述的终端固件空中升级系统，包括如下步骤：

S1、建立终端固件空中升级系统，保证所建立的系统网络拓扑内存在有至少一个终端集群。

S2、需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑发送升级数据传送请求，随后从每个源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片。

S3、接收到全部所述数据分片后，所述终端对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据并完成固件升级操作。

需要强调的是，在本发明的方法中，终端升级所需数据的完整性与安全性，均通过面向终端集群的区块链算法进行保障。

进一步而言，如图1所示，所述S1包括如下步骤：

S11、开启终端，使所述终端与远端服务器及其他所述终端或已完成自主组网的终端集群信号连接。

S12、所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送组网请求及该所述终端的组网限定条件，发送形式包括广播发送以及面向所述终端集群的定向发送。

S13、其他所述终端或所述终端集群接收到组网请求及组网限定条件后，将来自于所述终端的组网限定条件与其自身的组网限定条件进行比对，

若双方同时满足二者各自的组网限定条件，则返回同意组网的信息并与所述终端进行组网或将所述终端纳入已有终端集群中。

若双方不能同时满足二者各自的组网限定条件，则不返回信息。

S14、所述终端更新并保存此时的系统网络拓扑，随后依据系统网络拓扑情况赋予路径权重。

此处路径权重百分比

的计算公式为：

，

其中，

为路径网络时延阈值，

，

，

，

。

S15、依据预设的时间间隔，循环执行S12~S14，维护所述终端固件空中升级系统。

所述S15中维护所述终端固件空中升级系统，包括如下步骤：

在进行组网限定条件的比对时，若出现双方不能同时满足二者各自的组网限定条件且二者已经完成组网的情况，则返回解除组网信息并解除组网或将所述终端排出已有终端集群外。

在所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送的组网请求超时后，所述终端将对端从系统网络拓扑中删除并保存此时的系统网络拓扑。

本发明的终端空中升级流程如图2所示，基本涵盖了S2、S3中的内容，所述S2包括如下步骤：

所述终端固件空中升级系统内任一需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑、以所述远端服务器及所述终端集群作为源端、向所述源端发送升级数据传送请求，随后从每个所述源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片。

所述终端在发送升级数据传送请求时，依据系统网络拓扑及路径权重分配针对不同所述源端的请求内容。

所述S3包括如下步骤：

S31、所述终端被动接收到来自所述源端的全部的所述数据分片后，对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据。

S32、所述终端通过校验信息对所述固件升级数据进行完整性检查，

若检查通过则更新校验信息并利用所述固件升级数据完成对所述终端的固件升级，按序进入S33，

若检查不通过则将未能通过的数据块进行删除，并向所述源端再次请求缺失部分的数据分片，跳转返回S31。

S33、所述终端基于已保存的系统网络拓扑推送升级信息。

以下结合一个具体实施例来进一步说明本发明的技术方案：

假设现有4个终端，分别编号为A、B、C、D，一个远端服务器，编号为X。其中，B、C、D已经处于运行状态，B与C在一家矿厂内，D在一个油田内。为简化场景，假设A、B、C、D的约束条件均为网络跳数小于5，网络时延小于300毫秒。显而易见，B与C距离很近，因此B与C已经自组网，但D由于距离很远，因此处于孤立状态

现在，在所述矿厂内增加一个终端A，在未开机的状态下，整个系统的系统网络拓扑如图3所示。节点之间的跳数及时延均在图上标注。

将A开机并联网，此时A将会广播寻求自组网的消息。B与C收到后，检验了各自与A之间的连接满足跳数小于5、时延小于300ms的要求，回复同意组网。D收到后，检验发现跳数与时延均无法满足要求，因此没有回复。此时，A、B、C实现了自组网，网络中共有3条路径，分别是A-B、B-C、C-A。如图4所示。

A更新自己的系统网络拓扑，并为三条路径赋予权重。对于终端之间的路径，由前述场景条件可知，

代入上文中公式计算，最终得到A-B、A-C、A-X的权重值分别为79.6%、79.6%、39.3%。

假设所有终端的固件版本都是2.0，现在服务器中上线了3.0的固件，并推送了升级消息。完整的数据被分为10个数据块，按照顺序编号为1至10。由于现在只有X有数据，因此A与D通过与X连接并获取数据完成升级，升级完成后向网络中广播了升级消息。

当B希望获得升级时，由于已知A与X均有升级数据，且通过查询自己保存下来的系统网络拓扑，得知路径A-B的连接条件远比X-B的连接条件要好。因此，基于系统网络拓扑中的路径权重（基于公式1计算，可得A-B为79.6%，B-X为30.1%），B请求从A获取编号为1-8的数据块，从X获取编号为9-10的数据块。每一块数据块上都有区块链数据，通过检验，这10块数据都是完整且真实的，随后B完成升级。

同上，C的升级可以从X、A、B分别获取升级数据，这种方式显然比只从X获取升级数据要高效很多。这种升级方式，整个自组网系统内的终端数量越多，其效果越明显，特别是在不稳定网络环境下，例如，此时X与A均离线，C仍然可以通过B获取到完整的数据并正常升级，一定程度上还实现了网络高可用的效果。

综上所述，本发明所述的一种终端固件空中升级方法，将物联网与区块链相结合，显著地提升了固件升级效率。由于在本发明的方法中，终端在执行升级操作时会从多个来源处获取升级所需数据，因此数据获取效率将会得到极大地提升。加之终端集群是在满足特定约束条件地前提下进行组建的，因此其网络条件远远优于终端与远端服务器间的网络条件，因此在进行数据传输时更有保障。

其次，本发明的一种终端固件空中升级方法在安全性方面显著优于现有技术，不同于现有方法中需要经过开放网络的操作，本发明的方法使得系统整体在一个相对封闭的网络环境中进行通信，并且应用了区块链对数据进行校验，极大地提升了数据传输的安全性，并且无需依赖远端服务器即可完成终端升级，进一步丰富了固件升级的方式。

此外，本发明的方法流程清晰、可重复性强，具有一定的普适性特征，应用前景广阔并具有极高的使用价值。使用者还可以根据自身实际的应用需要对其中的部分操作进行调整，进而将本发明的方法应用于各种有关固件空中升级的操作中，从而进一步拓宽本发明的适用范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当强调，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种终端固件空中升级系统，其特征在于：包括至少一台远端服务器及多台终端，多台所述终端均分别与所述远端服务器信号连接；各台所述终端依据自身的组网限定条件进行自主组网，同时满足各自组网限定条件的多台所述终端通过自主组网的方式共同形成一个终端集群；

所述远端服务器及单个所述终端集群中的至少一台所述终端内均存储有用于实现终端固件空中升级的固件升级数据；当系统中存在需要进行固件升级的所述终端时，该终端可以将所述远端服务器及所述终端集群作为源端、从源端处获取固件升级数据。

2.根据权利要求1所述的终端固件空中升级系统，其特征在于：所述终端的组网限定条件为本终端与其他终端或本终端与所述远端服务器间的网络时延小于预设的网络时延阈值或网络跳数小于预设的网络跳数阈值；

所述网络时延阈值及所述网络跳数阈值的设置方式包括依靠人工经验设置或通过机器学习算法训练后设置。

3.根据权利要求1所述的终端固件空中升级系统，其特征在于：所述固件升级数据以数据块的形式、由所述源端向所述终端进行数据分发；

每一部分所述数据块内均包含有以区块链形式记录的校验信息，所述校验信息的长度有限。

4.一种终端固件空中升级方法，基于如权利要求1~3任一所述的终端固件空中升级系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立终端固件空中升级系统，保证所建立的系统网络拓扑内存在有至少一个终端集群；

S2、需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑发送升级数据传送请求，随后从每个源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片；

S3、接收到全部所述数据分片后，所述终端对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据并完成固件升级操作。

5.根据权利要求4所述终端固件空中升级方法，其特征在于，所述S1包括如下步骤：

S11、开启终端，使所述终端与远端服务器及其他所述终端或已完成自主组网的终端集群信号连接；

S12、所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送组网请求及该所述终端的组网限定条件，发送形式包括广播发送以及面向所述终端集群的定向发送；

S13、其他所述终端或所述终端集群接收到组网请求及组网限定条件后，将来自于所述终端的组网限定条件与其自身的组网限定条件进行比对，

若双方同时满足二者各自的组网限定条件，则返回同意组网的信息并与所述终端进行组网或将所述终端纳入已有终端集群中；

若双方不能同时满足二者各自的组网限定条件，则不返回信息；

S14、所述终端更新并保存此时的系统网络拓扑，随后依据系统网络拓扑情况赋予路径权重；

S15、依据预设的时间间隔，循环执行S12~S14，维护所述终端固件空中升级系统。

6.根据权利要求5所述终端固件空中升级方法，其特征在于，所述S14中依据系统网络拓扑情况赋予路径权重，路径权重百分比

的计算公式为：

，

其中，

为路径网络时延阈值，

，

，

，

。

7.根据权利要求5所述终端固件空中升级方法，其特征在于，所述S15中维护所述终端固件空中升级系统，包括如下步骤：

在进行组网限定条件的比对时，若出现双方不能同时满足二者各自的组网限定条件且二者已经完成组网的情况，则返回解除组网信息并解除组网或将所述终端排出已有终端集群外；

在所述终端向其他所述终端或所述终端集群发送的组网请求超时后，所述终端将对端从系统网络拓扑中删除并保存此时的系统网络拓扑。

8.根据权利要求5所述终端固件空中升级方法，其特征在于，所述S2包括如下步骤：

所述终端固件空中升级系统内任一需要进行固件升级的所述终端基于已有的系统网络拓扑、以所述远端服务器及所述终端集群作为源端、向所述源端发送升级数据传送请求，随后从每个所述源端处分别获取固件升级数据中的一个数据分片；

所述终端在发送升级数据传送请求时，依据系统网络拓扑及路径权重分配针对不同所述源端的请求内容。

9.根据权利要求8所述终端固件空中升级方法，其特征在于，所述S3包括如下步骤：

S31、所述终端被动接收到来自所述源端的全部的所述数据分片后，对所述数据分片进行重组、得到完整的固件升级数据；

S32、所述终端通过校验信息对所述固件升级数据进行完整性检查，

若检查通过则更新校验信息并利用所述固件升级数据完成对所述终端的固件升级，按序进入S33，

若检查不通过则将未能通过的数据块进行删除，并向所述源端再次请求缺失部分的数据分片，跳转返回S31；

S33、所述终端基于已保存的系统网络拓扑推送升级信息。

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