現(xiàn)代電子設(shè)備越來越復(fù)雜，并且與互聯(lián)網(wǎng)相連。作為一般規(guī)則，復(fù)雜性與安全性背道而馳，不安全的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備已經(jīng)成熟，罪魁禍?zhǔn)卓梢詾E用。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，我們必須假設(shè)所有軟件都會(huì)有錯(cuò)誤，其中一些錯(cuò)誤將是可利用的漏洞。解決這些問題的第一步是確保軟件更新可以交付到您的系統(tǒng)，最好是自動(dòng)和無(wú)線（OTA）。歐盟“消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全：基線要求（ETSI EN 303 645）”標(biāo)準(zhǔn)草案特別將及時(shí)自動(dòng)更新作為其要求之一。它確實(shí)為不可變的第一階段引導(dǎo)加載程序提供了例外，以最大限度地降低將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備置于非引導(dǎo)狀態(tài)（也稱為“磚砌”）的風(fēng)險(xiǎn)［1］“董事會(huì)）。

本文將討論在連接的設(shè)備中更新引導(dǎo)加載程序的問題。請(qǐng)注意，雖然這里討論的原則適用于任何軟件系統(tǒng)，但我們將專門討論運(yùn)行Linux的系統(tǒng)。使用更小、更定制設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能會(huì)提供更多這些系統(tǒng)獨(dú)有的選擇。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 1 顯示了一個(gè)通用的 Linux 系統(tǒng)，其中包含可能更新的主要相關(guān)組件。存儲(chǔ)介質(zhì)將是某種塊設(shè)備，例如eMMC或SATA硬盤驅(qū)動(dòng)器。在該設(shè)備中，將有引導(dǎo)加載程序，內(nèi)核，設(shè)備樹（取決于正在使用的CPU）和包含構(gòu)建系統(tǒng)所需的所有文件的根文件系統(tǒng)。在某些情況下使用更復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，但出于本討論的目的，我們將將其限制為最簡(jiǎn)單的情況。

系統(tǒng)更新實(shí)用程序，如曼德［2］、swupdate［3］，其他人能夠開箱即用地更新內(nèi)核，設(shè)備樹和根文件系統(tǒng)，在許多情況下，這種級(jí)別的可更新性就足夠了。

引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)的組件，負(fù)責(zé)在開機(jī)時(shí)初始化系統(tǒng)，從 CPU 重置指令開始。它負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

？初始化和擦除內(nèi)存

？設(shè)置電源軌和時(shí)鐘

？將所有外設(shè)設(shè)置為已知和靜止?fàn)顟B(tài)，以避免意外中斷。

？加載并啟動(dòng)內(nèi)核

如前所述，所有軟件都有錯(cuò)誤，因此我們可以假設(shè)也會(huì)有引導(dǎo)加載程序錯(cuò)誤。我們可以通過最小化引導(dǎo)加載程序的功能來減少攻擊面，但是我們可以完全消除錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。為什么更新引導(dǎo)加載程序比更新系統(tǒng)的其他組件更復(fù)雜？如果我們嘗試，風(fēng)險(xiǎn)是什么？如果我們不嘗試，有什么風(fēng)險(xiǎn)？

無(wú)線支持系統(tǒng)

此框圖顯示了能夠進(jìn)行可靠無(wú)線 （OTA） 更新的系統(tǒng)的基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。［4］引導(dǎo)加載程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化并與 OTA 客戶端交互，以選擇要使用的內(nèi)核、設(shè)備樹和根文件系統(tǒng)。健壯性是通過對(duì)正在運(yùn)行的 Linux 映像所需的組件具有完全冗余來實(shí)現(xiàn)的。這可確保在 OTA 更新中斷的情況下，始終有已知良好的映像可以回滾到該映像。此外，這可確保完全原子更新，因?yàn)楦驴蛻舳耸窍到y(tǒng)中唯一知道更新正在進(jìn)行中的組件，直到更新完成并準(zhǔn)備好運(yùn)行。

任何更新 OTA 的組件都可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作，因此系統(tǒng)的健壯性與引導(dǎo)加載程序處理回滾到以前已知良好的配置的能力直接相關(guān)。這意味著系統(tǒng)中必須有一個(gè)組件，該組件是不可變的，可以正確處理錯(cuò)誤的更新。

引導(dǎo)加載程序更新

在大多數(shù)情況下，處理回滾的不可變組件 _is_ 引導(dǎo)加載程序。在典型的嵌入式 Linux 應(yīng)用程序中，是 Das U-Boot［5］。如果我們嘗試更新引導(dǎo)加載程序，由于沒有冗余，因此我們面臨著將主板砌成磚塊的風(fēng)險(xiǎn)。如果主板在我們開始寫入新的引導(dǎo)加載程序映像后，但在寫入完成之前重新啟動(dòng)，則我們的映像包含舊版本的一部分和新版本的一部分。在這種情況下，行為是未定義的，唯一的緩解措施是能夠物理訪問設(shè)備以編寫正確的引導(dǎo)加載程序，通常使用USB或其他硬連線連接。

但是，我們?yōu)槭裁匆乱龑?dǎo)加載程序呢？至少，引導(dǎo)加載程序只是用作初始化硬件，然后將控制權(quán)移交給Linux內(nèi)核的一種手段。由于功能有限，引導(dǎo)加載程序出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

對(duì)于許多設(shè)計(jì)來說，這種風(fēng)險(xiǎn)水平是可以接受的，架構(gòu)師可以決定干脆不在其部署的設(shè)備中提供OTA引導(dǎo)加載程序更新。使用硬連線機(jī)制仍然是最后的手段。

然而，對(duì)于許多設(shè)計(jì)，這種風(fēng)險(xiǎn)水平被認(rèn)為是不可接受的，并且必須為引導(dǎo)加載程序的OTA更新提供一些機(jī)制。此外，許多設(shè)計(jì)為引導(dǎo)加載程序添加了更多功能;諸如系統(tǒng)診斷或其他特定于應(yīng)用程序的要求之類的東西可能會(huì)在引導(dǎo)加載程序中實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致更有可能需要更新。那么我們?nèi)绾翁幚磉@個(gè)問題呢？

用于提供引導(dǎo)加載程序更新的選項(xiàng)

有許多選項(xiàng)允許更新引導(dǎo)加載程序。本討論不是一個(gè)完整的解決方案，而是對(duì)可能適用于您的設(shè)計(jì)的方法的高級(jí)描述。每個(gè)都有其權(quán)衡取舍。

選項(xiàng) 1：無(wú)冗余

如果對(duì)于特定應(yīng)用程序來說，磚砌板的風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的，那么您可以簡(jiǎn)單地嘗試部署引導(dǎo)加載程序更新OTA，并在發(fā)生時(shí)處理后果。如果您的隊(duì)列規(guī)模較小，并且獲得對(duì)設(shè)備的物理訪問的成本較低，那么這可能很有效。如果需要引導(dǎo)加載程序更新，并且OTA嘗試失敗，那么您并沒有因?yàn)閲L試過而變得更糟。OTA 引導(dǎo)加載程序更新失敗的情況與沒有 OTA 引導(dǎo)加載程序更新功能的情況相同。即，您必須獲得對(duì)設(shè)備的物理訪問權(quán)限，并使用制造商提供的機(jī)制來重新刷新引導(dǎo)加載程序。

選項(xiàng) 2：多階段引導(dǎo)加載程序

此體系結(jié)構(gòu)將引導(dǎo)加載程序功能分為兩個(gè)階段（或更多階段，具體取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度）。最終，這仍然需要階段 1 中的一段不可變代碼。在更新階段 2 時(shí)，您確實(shí)具有冗余性和健壯性，因此，如果您仔細(xì)選擇在何處實(shí)現(xiàn)功能，則可以提供引導(dǎo)加載程序功能的 OTA 更新。這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)椴豢勺冸A段 1 二進(jìn)制文件中的代碼量會(huì)減少，從而降低總體風(fēng)險(xiǎn)。

U-Boot 使用 SPL（輔助程序加載程序）和 TPL（第三級(jí)程序加載程序）實(shí)現(xiàn)多階段引導(dǎo)。引入此機(jī)制是為了允許支持具有單獨(dú)引導(dǎo) ROM 的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)太小而無(wú)法存儲(chǔ)完整的 U-Boot 映像。在這種情況下，U-Boot SPL 映像將包含足夠的初始化代碼來加載和啟動(dòng)完整的 U-Boot 映像，通常是從大型塊設(shè)備（如 MMC）上啟動(dòng)。SPL 需要能夠初始化足夠的 RAM 和包含完整 U-Boot 映像的設(shè)備。

即使對(duì)于沒有小型引導(dǎo)ROM限制的設(shè)備，我們也可以利用此架構(gòu)在第2階段實(shí)現(xiàn)我們的可更新功能，同時(shí)在第1階段保留最低限度，包括正確處理冗余塊。

存在階段 1 存在問題的風(fēng)險(xiǎn)，需要物理訪問才能解決。鑒于階段 1 中的功能降低，在許多情況下，這種風(fēng)險(xiǎn)水平是可以接受的。

選項(xiàng) 3：并行引導(dǎo)加載程序

許多主板提供從多個(gè)設(shè)備啟動(dòng)的功能。例如，許多主板可以從板載 eMMC 或可拆卸 SD/MMC 卡啟動(dòng)。或者，他們可能為引導(dǎo)加載程序使用專用的 NOR 閃存設(shè)備，但仍能夠從 eMMC 塊介質(zhì)中運(yùn)行引導(dǎo)加載程序。

這些類型的主板可以配置為在其中一個(gè)受支持的設(shè)備中存儲(chǔ)不可變的引導(dǎo)加載程序，然后將OTA可更新的引導(dǎo)加載程序存儲(chǔ)在另一個(gè)設(shè)備中。通常，可更新的引導(dǎo)加載程序?qū)⑴c根文件系統(tǒng)位于相同的介質(zhì)（即eMMC）中，因此很容易更新。由于“備用”媒體中的引導(dǎo)加載程序是不可變的，因此可以依賴它從“標(biāo)準(zhǔn)”位置的引導(dǎo)加載程序的損壞的OTA更新中恢復(fù)。

這種方法的問題在于，選擇引導(dǎo)設(shè)備通常需要物理訪問電路板以移動(dòng)跳線或更改開關(guān)設(shè)置。如果您的設(shè)備位于最終用戶可以訪問它們的位置，這可能是一個(gè)可行的選擇，因?yàn)樽罱K用戶可以在發(fā)生故障時(shí)選擇恢復(fù)介質(zhì)。這可以通過文檔或根據(jù)支持人員的指示來完成。

某些系統(tǒng)使用外部硬件來選擇引導(dǎo)加載程序。運(yùn)行RTOS的小型MCU可以監(jiān)視正確的系統(tǒng)活動(dòng)，并在Linux系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)選擇備用引導(dǎo)加載程序。使用外部源正確檢測(cè)這可能很棘手，但看門狗計(jì)時(shí)器切換GPIO引腳或?qū)懭牍蚕韮?nèi)存可能就足夠了。這也是一個(gè)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)您的系統(tǒng)要求進(jìn)行考慮。請(qǐng)注意，您可能需要考慮對(duì)MCU固件映像進(jìn)行OTA更新，這是另一個(gè)復(fù)雜程度。

選項(xiàng) 4：eMMC 引導(dǎo)分區(qū)

電子監(jiān)控器的 4.3 版［6］規(guī)范要求 2 個(gè)單獨(dú)的硬件啟動(dòng)分區(qū)。這些分區(qū)通常每個(gè)為 4MB，用于存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序。這些分區(qū)可以從Linux用戶空間中讀取和寫入，但是默認(rèn)情況下它們以只讀方式提供;讀寫功能是通過寫入 /sys 偽文件系統(tǒng)中的文件來實(shí)現(xiàn)的：

然后可以使用 dd 實(shí)用程序?qū)⒁龑?dǎo)加載程序?qū)懭脒@些分區(qū)

eMMC 設(shè)備用作引導(dǎo)塊的分區(qū)由設(shè)備本身設(shè)置的參數(shù)確定。這可以從 U-Boot 提示符中完成：

或者從 Linux 用戶空間：

曼德的方法

利用 eMMC 引導(dǎo)分區(qū)，對(duì)分區(qū)的更新是原子的，并且獨(dú)立于對(duì)根文件系統(tǒng)的更新。eMMC 引導(dǎo)分區(qū)之間沒有自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移，因此這不會(huì)減輕由于引導(dǎo)加載程序更新失敗而導(dǎo)致的磚砌設(shè)備的問題。但是，這確實(shí)可以輕松地僅向引導(dǎo)加載程序提供更新，而無(wú)需對(duì)根文件系統(tǒng)進(jìn)行任何特定調(diào)整。

由于在提供引導(dǎo)加載程序更新時(shí)存在磚砌板的風(fēng)險(xiǎn)以及OTA更新過程的魯棒性降低，Mender［7］不提供開箱即用的引導(dǎo)加載程序更新。如前所述，很難以通用方式完成，并且最終可能會(huì)非常特定于應(yīng)用程序和硬件。 Mender 更新模塊框架允許插件架構(gòu)支持自定義更新類型。Mender 可以使用自定義更新模塊支持任何任意負(fù)載類型。此插件體系結(jié)構(gòu)允許提供處理特定有效負(fù)載類型的自定義腳本。允許在特定系統(tǒng)中進(jìn)行引導(dǎo)加載程序更新可以使用更新模塊來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用程序的需要以及所使用的硬件的功能，可以使用上述任何方法。

結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)場(chǎng)部署的設(shè)備中上傳系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序存在許多風(fēng)險(xiǎn)。在不合時(shí)宜的時(shí)間發(fā)生電源故障可能會(huì)使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)陷入困境，從而導(dǎo)致潛在的昂貴召回過程。但是，不提供引導(dǎo)加載程序更新機(jī)制可能會(huì)帶來不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，具體取決于特定應(yīng)用程序的配置文件。我們介紹了許多允許引導(dǎo)加載程序更新的方法，并討論了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，這有望讓您能夠?yàn)槟南到y(tǒng)做出適當(dāng)?shù)倪x擇，并幫助您快速進(jìn)入市場(chǎng)，并適當(dāng)了解設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷