CN116302030A - 一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法及系统，其中方法步骤包括：确定目标系统在升级中断时，升级中断的位置；基于升级中断的位置，在恢复升级时，继续完成升级。常见的嵌入式系统由于运行内存有限，固件差分升级时需要分块进行。一旦升级过程由于掉电等原因出现中断，可能会出现部分升级的情况，这就要求升级程序再次执行时可以可靠的从中断的地方恢复升级，以免系统“变砖”。本申请公开了一种差分升级框架，结合底层的差分升级算法，只需要额外每个分块4个字节的校验码，就可以保证准确识别升级中断点，确保差分升级的完整性和安全性。

Description

一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法及系统
技术领域
本申请涉及系统固件升级领域，具体涉及一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法及系统。
背景技术
由于差分效果好、差分升级包小，差分升级方法已经成为最流行的固件升级方式，尤其是嵌入式设备的固件升级。
对于普通文件升级，差分升级算法都是一次性把老文件加载内存、读入差分包、执行升级，再写入。但是，由于常见嵌入式系统的运行内存都是小于固件大小，固件升级就需要分块执行，逐块把老固件升级为新版本。
分块的固件升级一旦遇到中断，比如遇到掉电或其他不可抗力，就可能会出现部分升级的情况：老固件前面有部分的块已经升级为新版本。处于这种中间状态设备一般是不可用的，俗称“变砖”。升级程序必须能够有效的识别这种状态，再次执行时可以准确找到中断的地方恢复升级，确保升级的完整性。
发明内容
本申请结合底层的具体升级算法，只需要额外每个分块新老固件的普通校验码(放在差分升级包的头部)，就可以准确识别升级中断点继续升级，杜绝升级失败的可能性。
为实现上述目的，本申请提供了一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法，步骤包括：
S1.确定目标系统在升级中断时的中断位置；
S2.基于所述中断位置，在恢复升级时，继续完成升级。
优选的，支持嵌入式系统固件分块差分升级方法的差分包包括：底层的升级差分数据和顶层数据；
所述顶层数据包括：固件进行分块差分升级时的分块大小、分块数量和每个分块的新老固件的校验码。
优选的，所述S1中确定所述中断位置的方法包括：
S301.设固件一共n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码；
S302.如果第i个分块为老固件，则依次检查剩下的分块，必须全部为老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S303.如果第i个分块为新固件，跳回S301；
S304.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，则检查备份块是否为老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是老固件，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S305.当老固件所有分块都扫描完成并且都已升级为新固件，则执行本步骤；如果新固件的分块数比老固件多，则返回n+1。
优选的，在继续完成时，需要确定所述分块的大小，步骤包括：
S401.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S402.判定所述固件之间有无冲突发生；
S403.如果有冲突发生，所述分块的大小减小一个物理块大小，重复S402；
如果没有冲突发生，则运行结束。
本申请还提供了一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，包括：监测模块和恢复模块；
所述监测模块用于确定目标系统在升级中断时的中断位置；
所述恢复模块用于基于所述中断位置，在恢复升级时，继续完成升级。
优选的，支持嵌入式系统固件分块差分升级系统的差分包包括：底层的升级差分数据和顶层数据；
所述顶层数据包括：固件进行分块差分升级时的分块大小、分块数量和每个分块的新老固件的校验码。
优选的，所述监测模块包括：状态判断单元和大小判断单元。
优选的，所述状态判断单元的工作流程包括：
S801.设固件一共n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码；
S802.如果第i个分块为老固件，则依次检查剩下的分块，必须全部为老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S803.如果第i个分块为新固件，跳回S801；
S804.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，则检查备份块是否为老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是老固件，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S805.当老固件所有分块都扫描完成并且都已升级为新固件，则执行本步骤；如果新固件的分块数比老固件多，则返回n+1。
优选的，所述大小判断单元的工作流程包括：
S901.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S902.判定所述固件之间有无冲突发生；
S903.如果有冲突发生，所述分块的大小减小一个物理块大小，重复S902；
如果没有冲突发生，则运行结束。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
常见的嵌入式系统由于运行内存有限，固件差分升级时需要分块进行。一旦升级过程由于掉电等原因出现中断，可能会出现部分升级的情况，这就要求升级程序再次执行时可以可靠的从中断的地方恢复升级，以免系统“变砖”。本申请公开了一种差分升级框架，结合底层的差分升级算法，只需要额外每个分块4个字节的校验码，就可以保证准确识别升级中断点，确保差分升级的完整性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的方法流程示意图；
图2为本申请实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供的方案主要为保证在目标系统固件进行分块差分升级时的安全。具体表现为通过对目标系统固件内部的升级程序框架进行改进。
支持本实施例所提供的升级框架的差分包，除了底层具体升级差分数据以外，还(在顶层)包含以下的数据：若干分块和备份块；每个分块包括：若干固件，通过记录目标系统升级中断时，当前固件的状态；确定恢复升级时的起始固件；分块大小、分块数目和每个分块的新老固件的校验码。支持本实施例所提供的升级框架的升级程序，除了底层具体升级算法程序以外，还包含计算校验码的代码。另外，设备除了有保存差分包的存储空间，还需要一个大小与上述分块相同的额外存储空间，作为备份；它的位置是默认的，本实施例称之为“备份块”。底层升级算法对于每个分块升级前先将老固件该分块拷贝到备份块。
下面具体阐释升级程序框架，主要是根据在系统升级中断时，当前固件以及备份块的状态，确定(恢复)升级的起始固件。对于底层的升级算法而言，这是唯一需要的信息。升级算法可以从该固件开始升级，也可以从头开始升级而起始固件之前的固件都不执行写入操作。实践中，掉电毕竟是偶发现象，后者由于代码量更小而更经常采用。
如图1所示，为本申请的方法流程示意图。
首先，确定目标系统在升级中断时，中断的位置：
S301.设固件一共有n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码，并执行下面的操作；
S302.如果第i块是老固件而非新固件：则依次检查剩下的分块，必须都是老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S303.如果第i块是新固件，包括新老固件该部分内容相同的情形：i<-i+1，跳回步骤S301；
S304.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，那么肯定是该部分升级完成执行写入时发生了错误；检查备份块是否是老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S305.如果老固件所有块都扫描完，都已升级为新固件，才会执行到这里。如果新固件的分块数不比老固件多，升级本已完成；否则返回n+1。
本实施例升级框架的另一个重点是每个分块都只需计算一个4字节的校验码。4字节的校验码要面临的实际问题是，会有发生签名冲突的情况：签名冲突(或哈希冲突)是指不同的内容算出相同的校验码；如果新老固件内容不同，而校验码相同，上述判定升级起始块号的方案将会失败。换句话说，要想安全升级必须避免签名冲突。
差分包中分块大小的确定需要考虑如下因素：
设备物理块大小：设备的最小刷写单位，这个是设备自身的物理属性，典型值为1KB～64KB，分块大小应为此值的整数倍；
设备的运行内存和存储空间约束：运行内存需要额外一个分块大小，存储空间(备份块)也需要额外一个分块大小。
满足上述条件的分块大小会在一个范围，一般是越大越好，前提是不发生签名冲突：分块数目越少，校验码数据越少而且升级也会更快。
关于4字节(32-bit)的校验码，传统的CRC-32和近年来流行的Murmurhash以及更高效的xxHash，三者冲突率差别都不大，而Murmurhash运算速度比CRC-32要快一到两个量级，xxHash运算比Murmurhash又快一倍左右。
差分时确定分块大小的具体流程如下：
S401.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S402.依次计算4字节新老固件每个部分的校验码，判定对应部分有无冲突(内容不同而校验码相同)；
S403.如果有冲突发生，分块大小减小一个物理块大小，重复S402；
S404.所有对应块都没有冲突，则运行结束，返回分块大小供底层差分程序使用。
之后，在恢复升级时，便可准确定位升级中断的位置，继续完成升级。
实施例二
如图2所示，为本申请实施例的系统结构示意图，包括：监测模块和恢复模块；其中，监测模块用于确定目标系统在升级中断时，差分包的状态；恢复模块用于基于差分包的状态，在恢复升级时，继续完成升级。此外，监测模块还包括：状态判断单元和大小判断单元。
本实施例提供的方案主要为保证在目标系统固件进行分块差分升级时的安全。具体表现为通过对目标系统固件内部的升级程序框架进行改进。
支持本实施例所提供的升级框架的差分包，除了底层具体升级差分数据以外，还(在头部)包含以下的数据：分块大小、分块数目和每个分块的新老固件的校验码。支持本实施例所提供的升级框架的升级程序，除了底层具体升级算法程序以外，还包含计算校验码的代码。另外，设备除了有保存差分包的存储空间，还需要一个大小与上述分块相同的额外存储空间，作为备份；它的位置是默认的，本实施例称之为“备份块”。底层升级算法对于每个分块升级前先将老固件该分块拷贝到备份块。
下面具体阐释升级程序框架，主要是根据在系统升级中断时，当前固件以及备份块的状态，确定(恢复)升级的起始分块号。对于底层的升级算法而言，这是唯一需要的信息。升级算法可以从该固件开始升级，也可以从头开始升级而起始固件之前的固件都不执行写入操作。实践中，掉电毕竟是偶发现象，后者由于代码量更小而更经常采用。首先，利用监测模块确定目标系统在升级中断时差分包的状态(即确定起始固件)：
状态判断单元的工作流程包括：
S801.设固件一共有n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码，并执行下面的操作；
S802.如果第i块是老固件而非新固件：则依次检查剩下的分块，必须都是老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S803.如果第i块是新固件，包括新老固件该部分内容相同的情形：i<-i+1，跳回步骤S801；
S804.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，那么肯定是该部分升级完成执行写入时发生了错误；检查备份块是否是老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S805.如果老固件所有块都扫描完，都已升级为新固件，才会执行到这里。如果新固件的分块数不比老固件多，升级本已完成；否则返回n+1。
本实施例升级框架的另一个重点是每个分块都只需计算一个4字节的校验码。4字节的校验码要面临的实际问题是，会有发生签名冲突的情况：签名冲突(或哈希冲突)是指不同的内容算出相同的校验码；如果新老固件内容不同，而校验码相同，上述判定升级起始块号的方案将会失败。换句话说，要想安全升级必须避免签名冲突。
差分包中分块大小的确定需要考虑如下因素：
设备物理块大小：设备的最小刷写单位，这个是设备自身的物理属性，典型值为1KB～64KB，分块大小应为此值的整数倍；
设备的运行内存和存储空间约束：运行内存需要额外一个分块大小，存储空间(备份块)也需要额外一个分块大小。
满足上述条件的分块大小会在一个范围，一般是越大越好，前提是不发生签名冲突：分块数目越少，校验码数据越少而且升级也会更快。
关于4字节(32-bit)的校验码，传统的CRC-32和近年来流行的Murmurhash以及更高效的xxHash，三者冲突率差别都不大，而Murmurhash运算速度比CRC-32要快一到两个量级，xxHash运算比Murmurhash又快一倍左右。
大小判断单元的工作流程如下：
S901.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S902.依次计算4字节新老固件每个部分的校验码，判定对应部分有无冲突(内容不同而校验码相同)；
S903.如果有冲突发生，分块大小减小一个物理块大小，重复S902；
S904.所有对应块都没有冲突，则运行结束，返回分块大小供底层差分程序使用。
之后，在恢复升级时，便可利用恢复模块在其实固件处，继续完成升级。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法，其特征在于，步骤包括：
S1.确定目标系统在升级中断时的中断位置；
S2.基于所述中断位置，在恢复升级时，继续完成升级。
2.根据权利要求1所述的安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法，其特征在于，支持嵌入式系统固件分块差分升级方法的差分包包括：底层的升级差分数据和顶层数据；
所述顶层数据包括：固件进行分块差分升级时的分块大小、分块数量和每个分块的新老固件的校验码。
3.根据权利要求2所述的安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法，其特征在于，所述S1中确定所述中断位置的方法包括：
S301.设固件一共n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码；
S302.如果第i个分块为老固件，则依次检查剩下的分块，必须全部为老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S303.如果第i个分块为新固件，跳回S301；
S304.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，则检查备份块是否为老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是老固件，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S305.当老固件所有分块都扫描完成并且都已升级为新固件，则执行本步骤；如果新固件的分块数比老固件多，则返回n+1。
4.根据权利要求3所述的安全的嵌入式系统固件分块差分升级方法，其特征在于，在继续完成时，需要确定所述分块的大小，步骤包括：
S401.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S402.判定所述固件之间有无冲突发生；
S403.如果有冲突发生，所述分块的大小减小一个物理块大小，重复S402；
如果没有冲突发生，则运行结束。
5.一种安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，其特征在于，包括：监测模块和恢复模块；
所述监测模块用于确定目标系统在升级中断时的中断位置；
所述恢复模块用于基于所述中断位置，在恢复升级时，继续完成升级。
6.根据权利要求5所述的安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，其特征在于，支持嵌入式系统固件分块差分升级系统的差分包包括：底层的升级差分数据和顶层数据；
所述顶层数据包括：固件进行分块差分升级时的分块大小、分块数量和每个分块的新老固件的校验码。
7.根据权利要求6所述安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，其特征在于，所述监测模块包括：状态判断单元和大小判断单元。
8.根据权利要求7所述安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，其特征在于，所述状态判断单元的工作流程包括：
S801.设固件一共n个分块，从i＝1开始，依次计算第i个分块的校验码；
S802.如果第i个分块为老固件，则依次检查剩下的分块，必须全部为老固件，此时框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S803.如果第i个分块为新固件，跳回S801；
S804.如果第i个分块既不是老固件也不是新固件，则检查备份块是否为老固件，剩下的分块也必须都是老固件，如果是老固件，则将备份块拷贝回第i个分块，框架执行结束，返回i，否则报错退出；
S805.当老固件所有分块都扫描完成并且都已升级为新固件，则执行本步骤；如果新固件的分块数比老固件多，则返回n+1。
9.根据权利要求8所述安全的嵌入式系统固件分块差分升级系统，其特征在于，所述大小判断单元的工作流程包括：
S901.根据设备的运行内存和存储空间约束，计算出最大容许的分块大小，并对设备物理块大小下取整；
S902.判定所述固件之间有无冲突发生；
S903.如果有冲突发生，所述分块的大小减小一个物理块大小，重复S902；
如果没有冲突发生，则运行结束。
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