物聯網設備為何需要OTA固件不斷升級？
時間：2017-03-27 11:10:30
作者：Richa Dham, Sachin Gupta
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物聯網規模化部署面臨著眾多挑戰，例如：眾多設備近距共終端和龐大數量的設備互連。這些挑戰催生出對無線（OTA）固件升級的需求，它將是物聯網系統必不可缺的一個組成部分。OTA的有效性已在許多應用程序中得到驗證，例如手機會通過定期升級來接收新功能和修補漏洞。
基于BLE的OTA固件升級功能相對而言是一個新生事物，試想，將一個beacon部署在一個大型市場中以推送在展的產品信息。這些beacon的位置有可能難以觸及，而且它們的龐大數量也讓用戶不可能在部署后對它們進行逐個編程。因此，當有新功能或需要修補的漏洞出現時，OTA固件升級就會成為一個重要的省時性能。
對于物聯網而言，有三大原因正在推升市場對基于BLE的OTA固件升級的需求：
-廣泛和種類各異的設備：設備的數量和種類在分布式網絡中扮演重要角色，如體育場智能照明應用。一個標準OTA接口可確保其固件升級架構通用于不同的節點。因此，雖然一個大型泛光燈和一個走廊燈在功能上不同，但一個基于BLE的標準OTA接口可以在它們之間通用。這意味著，向這些種類各異的設備推送新固件的主機設備可以是一個通用平臺。同時這還意味著，可以在一個控制室中升級體育場中所有不同類型的照明燈，而不是對它們進行逐個升級。
-不斷變化的需求和新功能：物聯網是一個迅速變化和發展的市場，新的產品需求和BLE功能不斷涌現。例如，安全威脅和隱私泄露是物聯網設備管理領域面臨的最大挑戰之一。為了防范病毒攻擊，設備固件可通過OTA固件升級流程獲得最新補丁和更多安全算法。任何物聯網系統都由兩個部分組成：硬件和固件。在基于SoC的應用中，OTA固件升級功能不僅能夠更新固件，而且還能重新配置片上硬件資源。
-緊迫的產品上市需求：物聯網系統的設計周期很短，而市場需要持續創新和部署最新功能。一個總的發展進程是：對硬件進行過度設計，以便在一個較長的時期內滿足不斷升高的市場需求。OTA固件升級可實現漸進式部署。例如，一個恒溫器系統最初可以只部署一個熱傳感器實現快速部署，之后再部署濕度傳感器。請注意，這種方法使得硬件設計成為一個深思熟慮的過程，在架構階段從硬件角度考慮了未來的部署。
物聯網領域具有多樣性，應用和最終解決方案需求也是如此。某些產品看重成本，而另一些則與眾不同，旨在定義新的細分市場。為了保持靈活性，OTA bootloader（引導加載程序）架構應能適應不同的需求。下面我們探討這種靈活性的驅動因素和架構選項。
雖然OTA固件升級是物聯網應用的福音，但產品團隊也必須留意和避免一些陷阱。現場升級固件的能力外加緊迫的上市需求有可能給團隊帶來壓力，迫使其太快發布固件。例如，大規模部署產品的競賽可能讓營銷人員依賴以下事實：今后可以更新固件。這有可能導致企業發布不穩定、未經過全面驗證或優化的軟件或產品。產品團隊應仔細權衡這些決策的影響，通過運用約束條件達到不過度使用OTA的目的。此外，頻繁更新也可能不受最終用戶的歡迎。
讓我們了解一下OTA固件升級的原理。就基本原理而言，OTA與UART 引導加載程序或USB 引導加載程序等其它引導加載程序沒有什么差異。圖1顯示了一個可升級、基于固件的系統的基本架構。
圖1： UART 引導加載程序系統
如圖所示，目標設備的非易失性存儲器分為兩個區：– 引導加載區和應用程序區。存儲器的引導加載區存儲代碼，負責：1） 設備的引導操作；2） 檢查主機是否有一個供可引導加載區使用的更新后的固件映像；3） 通過一個UART接口接收更新后的固件映像；4） 將更新后的固件映像寫入存儲器的可引導加載區。存儲器的應用程序區是負責定義系統功能的實際應用代碼。
與此類似，為了理解OTA固件升級，可將存儲器分為引導加載區和應用程序區。與UART 引導加載程序相比，此處最大的不同是用于從主機接收新固件的接口。OTA固件升級使用一個無線通信接口接收更新后的固件映像。取決于具體應用，逐個接口可能是WiFi、ZigBee、藍牙或任何其它無線接口。無論何種接口，其過程和基本原理都是相同的。
目前，藍牙低功耗（BLE）標準無所不在，因為它功耗較低，而且獲得了大多數PC和手機的支持，這種普及程度使其成為物聯網應用的首選。說到這里，BLE是一個不斷演進的標準，幾乎每年都有一個新版本發布，其中包含更多新特性，以滿足物聯網應用不斷變化的需求。市場中的各大芯片廠商正在展開一場競賽，推出遵從新版標準的解決方案。大多數情況下，芯片廠商在幾個BLE協議棧、IDE版本中支持這些特性。此外，標準的快速變化給版本之間留下的測試時間也很短。因此，芯片廠商發布的每一個新的BLE協議棧版本通常都會被客戶反饋存在缺陷，或由內部團隊在測試期間發現缺陷。因此，當使用BLE升級物聯網設備時，不僅應用代碼需要升級，核心BLE協議棧可能也需要升級。一個合理、可靠的引導加載程序架構應能支持這些不同的應用，而且應足夠靈活，能夠滿足不斷變化的應用需求。
對于基于BLE的設備而言，有兩種OTA bootloader架構：
固定協議棧OTA bootloader – 在一個固定協議棧OTA bootloader系統中，協議棧不升級，只能升級應用固件。協議棧存儲在存儲器的寫保護/引導加載程序區。圖2顯示了一個典型的固定協議棧OTA bootloader系統。
圖2：基于BLE的固定協議棧OTA bootloader
固定協議棧OTA bootloader的優點是：升級固件的時間較短，因為只能升級應用代碼；其缺點是：即使部署后發現重大問題也無法升級協議棧代碼。
可升級協議棧OTA bootloader – 在可升級協議棧bootloader系統中，協議棧和應用固件都能升級。雖然不同廠商實現bootloader的方式不同，但在一個典型的可升級協議棧系統中，存儲器分為三個區：
可升級協議棧OTA bootloader的運行分為三步：
第1步：圖3顯示了目標設備（即需要得到OTA升級的設備）和主機設備（即有新固件并負責將其發送給目標設備的設備）。目標設備使用其現有的BLE協議棧接收新的BLE協議棧。這個新的BLE協議棧存儲在存儲器的應用固件區。應用固件區被新的BLE協議棧覆蓋，因為物聯網設備的內存通常有限。增大內存會增加設備成本，而且出于引導加載原因而增大存儲器也不合理。請注意，現有BLE協議棧不能被直接覆蓋，因為這將破壞正與主機通信的現有協議棧代碼，從而在升級結束前中斷通信。
圖3：第1步：現有協議棧從主機設備接收新協議棧，并將其寫入應用存儲器
第2步： launcher復制應用固件區的BLE協議棧，并將其寫入現有BLE協議區（見圖4）。此步結束時，BLE協議區將有新的BLE協議棧。
圖4：第2步： Launcher使用新協議棧覆蓋現有協議棧
第3步：目標設備使用新的BLE協議棧從主機設備接收新的應用固件，然后將其寫入應用固件存儲區（見圖5）。
圖5：第3步：新協議棧接收新應用固件，然后將其寫入應用區
此步之后，目標設備固件的配置如圖6所示，協議棧和應用固件升級全部結束。
圖6：升級結束后，存儲器有了新的BLE 協議棧和應用固件
可升級協議棧bootloader的一大優勢是：部署產品后，允許升級協議棧和應用。
還可以根據OTA Bootloader用于存儲更新的固件映像的存儲器對它們進行分類：
內部存儲器OTA bootloader – 對于這種類型的引導加載程序，更新后的固件映像 – 新的BLE協議棧及應用固件或新的應用固件 – 被直接寫入設備的內部閃存。本文至此所描述的引導加載程序架構都基于內部存儲器。此類引導加載程序的優勢是：無需外部存儲器，因此降低了升級功能的實現成本。
外部存儲器OTA bootloader – 對于外部存儲器OTA bootloader，現有協議棧接收新的應用固件或新的協議棧固件及應用固件。它們被存儲在外部存儲器中。在以后的某個時刻，根據存儲器類型（I2C、SPI或其它串口存儲器），設備使用一個有線接口從外部存儲器讀取新固件，然后升級內部閃存。這種方式增加了外部存儲器的總成本，用于設備內部存儲器有限但卻需要升級其協議棧的情況。請注意，在某些應用中協議棧大于應用固件。
為某個物聯網應用選擇組件時，必需了解芯片廠商和開發工具所支持的OTA固件升級方法。評估一個配備內部存儲器的設備時，基于內部存儲器的OTA升級是一種經濟高效的方法。某些設備可能不允許升級協議棧，只允許升級應用固件。某些可升級協議棧OTA bootloader架構可能只允許單獨升級協議棧或應用固件，從而縮短升級時間。在為您的應用選擇設備時，最好提前了解這些局限性。
對設備固件進行OTA升級時，通過在空中傳輸，容易遭受攻擊。因此，必需確保主機設備只與相關目標設備通信。此外，應對空中傳輸的數據進行加密，以便讓其它監聽BLE通信的設備無法解碼這些數據。BLE 4.2改進了安全機制，能夠更好地防范中間人攻擊和被動監聽攻擊，降低IP被盜或設備被黑客劫持的風險。如果使用的是一個舊版BLE，明智的做法是手動增加一個加密層，以保護您的IP免遭被動監聽。
總而言之，物聯網市場中的產品需求比傳統產品變化更快。此外，已得到廣泛普及的BLE通信標準仍在不斷演進，芯片廠商需要較長時間來支持新特性。將產品更快推向市場的壓力也可能影響測試時間或產品的現場試驗。鑒于這些原因，在部署產品后，OTA固件升級可讓開發人員隨著時間的推移增強產品功能，并修補產品缺陷。最后，選擇可滿足您的應用需求、保護您的IP的OTA固件升級方法也非常重要。
