【物联网智能网关-18】多通道远程安全升级

一个典型的物联网系统，往往有上百个，甚至成千上万个联网节点，并且每个节点联网的方式可能不同，比如有Zigbee联网，有430/470M无线方式联网，有GPRS/3G无线模块联网，有RS485/CAN总线方式联网，有以太网TCP/IP方式联网等等。如此种种节点，如果需要进行程序更新，这是一个非常令人头疼的事。

另外，随着物联网各种项目的大量实施，在运行维护过程中，其技术人员的交通住宿成本及人力成本的逐年增加，让设备的远程维护，远程升级功能变得越来越重要了。

但是要实现远程升级，也不是一件容易的事，需要重点解决如下三方面的事情：第一就是安全，如何防止有恶意的人篡改和远程升级相关设备的程序；第二就是远程升级通信信道的问题，比如国内的GPRS和3G模块，由于被分配的IP地址不是公网地址，所以必须反连，也就是说模块要主动请求服务器进行远程升级，而不是常规程序升级的做法，直接访问设备对设备进行升级，另外就是各种通信接口的支持，比如Zigbee，430/470M无线信道，由于这类设备，每次传输的字节数有限，实现远程升级功能也要充分考虑到这一点。第三就是可靠升级，比如升级一半，设备突然掉电，如何确保设备不变砖。

基于.NET Micro Framework系统的物联网智能网关，分别采用如下技术来解决以上所提到的问题。

【安全问题】

.NET Micro Framework系统，在V4.1版本之前，一直提供了两种加解密方法，一种是非对称加密RSA和对称加密XTEA（这部分代码一直没有开源，提供各种ARM版本和X86的连接库），但是这个库其中的RSA有两个致命的问题，一个是其生成的公钥和私钥无法和Windows或其他平台的目前已有的方法提供的一致，互不通用。另外一个问题就是其X86版本和嵌入式版本，其加解密竟然无法实现互解（另外也发现嵌入式版本的RSA加密，无法对特定长度的明文进行加解密）。

4.2版本之后，封装了OpenSSL中的RSA、AES，DES等加密方法，但是对一些运行.NET Micro Framework系统比较小的嵌入式设备来说，集成一个OpenSSL库有些太大了，大概增加400K字节大小，比一个.NET Micro Framework系统还要大，这是让人无法承受的。

后续重新自行调整和构建了RSA相关代码，算相对完美的解决了这个问题。（关于加解密的详情，后续有专门的文件进行介绍）。

远程升级的思路：

首先对要升级的文件进行SHA1哈希计算，拼装成标准签名文件后，用RSA的私钥对该数据进行加密 –- 对升级文件进行签名。

考虑到嵌入式系统RAM空间有限，数据可以分批，分片写入到Flash区域中，等完全写入完毕后，直接在Flash上（非NandFlash,可以直接访问），用预先下载好的公钥进行签名验证。

【信道问题】

其实.NET Micro Framework系统也提供了官方的远程升级方案，甚至为了实现这个功能，新提供一个MicroBooter来配合完成远程升级。但是其通信信道是基于.NET Micro Framework调试口的，这就有一个很大的问题，比如GPRS/3G通信设备无法远程直接访问，Zigbee，430/470M无线模块，每次传输的数据有限，都无法被配置为调试通道。

我们的解决方案是，信道和具体的升级功能功能完全剥离，这样信道的问题，就简化成如何远程获取升级文件和签名的问题。针对这个问题，可实现的方案有很多种，也可以分为主动式和被动式升级。

【可靠升级】

我们采取的方案是，接收到的数据，先更新到一个系统Flash区，下载完毕后，用公钥进行签名验证，验证通过后（一是验证来源是否可靠，另外就是验证升级文件的完整性），才置相关标志位，然后让系统复位，复位后根据相关的标志，把相关数据转移到正常程序区，并加载运行。

从以上步骤中可以看出，如果远程升级过程没有完成，原来的程序还将继续保持，并不会被破坏。

升级流程示意图如下：

下面让我们详细介绍完整的远程升级流程：

创建公钥和私钥

在示例“数据加密解密”中，我们提供了一个和.NET Micro Framework相对应的Windows版本的数据加密解密程序（界面如下图所示）。其用到的加解密函数，都是.NET Framework的标准加密解密库。

考虑到存储空间，设备端（.NET Micro Framework系统）的二进制格式的密钥和上位机的二进制格式略有不同，实际要小一些，比如公钥的指数，一般都固定为0x1,0x0,0x1三个字节的数，所以就省略了。同理私钥也是做了这样的处理。

但是xml格式的都是一样的，底层也提供了一个接口函数，可以直接导入XML格式的密钥。

为了各自的方便，我们为对应的PC端程序（远程升级的发起方）提供的是XML格式的私钥，为设备端（被升级的一方）提供的是二进制格式的公钥。

分别用刚才提到的工具进行导出。

导出私钥的相关代码其实很简单，默认是1024位的Key，代码如下：

RSACryptoServiceProvider mskey = new RSACryptoServiceProvider();

string xmlKey = mskey.ToXmlString(true);

针对二进制格式的公钥，其实我们仅导出128字节的Modulus的数据：

byte[] key = new byte[128];

Array.Copy(Modulus, 0, key, 0, 128);

公钥部署

采用最新版本的YFAccessFlash工具（V3.12.0以上），把导出的二进制格式的公钥部署到设备上（.NET Micro Framework系统）。

公钥提取及程序部署、校验

以下代码完成公钥的提取（需要引用YFSoft.Config库）

byte[] PublicKey = new byte[128];

if (YFSoft.Config.Read("PublicKey", PublicKey, 0, 128) == 0)

{

//…

}

分以下四步分别完成程序的部署和校验（需要引用YFSoft.RemoteUpgrade库）

第一步：清空系统部署区

RemoteUpgrade.Initialize();

第二步：向系统数据区写数据（可以分块写）

RemoteUpgrade.Write(0, peFile, 0, peFile.Length);

第三步：RSA+SHA1校验

bool IsVerifyOK = (RemoteUpgrade.Verify(peFile.Length, Signature, PublicKey)==0);

第四步：置标志位，系统重启

RemoteUpgrade.Finish();

升级文件及签名数据远程传输

以上几步，基本上流程一致，没有多少变化，但是这一步，变数比较大。从物理信道上来说，可以是以太网、Wifi、蓝牙、无线（430M/470M）、Zigbee、RS232/RS485串口通信、GPRS/3G等等。

即使同一个信道，采用的升级策略也不相同，比如可以是主动式，和被动式。所谓的主动式，就是远程可以直接对远程的模块进行升级，是相对即时的一种的方式。而被动式，是远程模块，每隔特定的时间间隔，主动去访问指定的服务器，根据获取的信息，判断是否该升级。比如国内通过GPRS/3G通道，也只能采用这种方式了。

我们提供的两个例子，一个是基于以太网TCP/IP通信，一个是基于串口通信，都是主动式的。不过例子中提供了一个YFSoft.WireProtocol源码类，和特定的信道，还有主动被动都没有关系，只需要实现相关的委托接口就可以完成远程升级文件的接收或发送。

要实现的三个接口分别是：

public delegate int TransmitBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count);

public delegate int ReceiveBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count);

public delegate int GetReceiveCountHandle();

第一个是发送数据用的，第二个是接收数据用的，第三个是获取接收缓冲区数据个数的。并且这个YFSoft.WireProtocol.cs文件，桌面.NET Framework和设备.NET Micro Framework完全一样的。

比如如果通信信道是串口，则这三个接口的实现代码如下：

private int TransmitBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count)

{

port.Write(buffer, offset, count);

return 0;

}

private int ReceiveBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count)

{

return port.Read(buffer, offset, count);

}

private int GetReceiveCountHandle()

{

return port.BytesToRead;

}

如果是网口，则代码如下：

private int TransmitBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count)

{

return socket.Send(buffer, offset, count, SocketFlags.None);

}

private int ReceiveBytesHandle(byte[] buffer, int offset, int count)

{

return socket.Receive(buffer, offset, count, SocketFlags.None);

}

private int GetReceiveCountHandle()

{

return socket.Available;

}

接下来，在设备端主程序中，只需要添加两句代码，就可以实现远程升级的服务端功能。

如果是串口，代码如下：

//远程升级服务（基于串口）

PortServerUpdate tsu = new PortServerUpdate("COM1",115200,true);

tsu.Launch();

如果是网口，代码如下：

//远程升级服务(基于TCP)

TcpServerUpdate tsu = new TcpServerUpdate(10189,true);

tsu.Launch()

PC端的接口实现类似，但是远程数据有所不同，由于串口方式和网口方式基本一样，所以我们仅举以太网通信方式。

具体的升级代码如下：

private void btnUpdate_Click(object sender, EventArgs e)

{

if (txtFiles.Text != null && txtFiles.Text.Length > 0)

{

txtInfo.Text = ">>> 提取以下文件的数据...\r\n";

var files = Directory.EnumerateFiles(txtFiles.Text, "*.pe");

MemoryStream ms = new MemoryStream();

foreach (string file in files)

{

txtInfo.Text += ">>> "+file + "\r\n";

FileStream tfs = new FileStream(file, FileMode.Open, FileAccess.Read);

byte[] buffer = new byte[tfs.Length];

tfs.Read(buffer, 0, buffer.Length);

tfs.Close();

ms.Write(buffer, 0, buffer.Length);

}

txtInfo.Text += ">>> 提取并合成数据成功!\r\n";

//创建签名文件

string xmlPrivateKey = "<RSAKeyValue><Modulus>vBjTkuBruYPSBE5y5T7hd4KEADy6UuBk1v+Es8BOvggOsfEGvxJNraDTCxTPaNhVkbaCFIavw8amXoIkFzjDw7fV3JVDflsqZ4qg23DOcWz/DvF+12sNcXTsHX7HELJYObZI1lo1kE2fFej1uuRzr7v9DgoFurgg9tGU9gD3dCU=</Modulus><Exponent>AQAB</Exponent><P>4NIKd4E+/0RRT58FZriPTWkfysy8c1Hl7CbeKet1m7KDsatwxNYm6u+oKltmG8UQ73pUfsEbBFpCo/UgL36osQ==</P><Q>1i73MFObZqHBvAhBP+uAbDa33k9yBqePDC0lKL5bqw4AhWzKb3EJd0OWUYf+LxZKnYbmbYNIMolDskcnbPjftQ==</Q><DP>2L7HJoWthY6I0blfDLRcO+ZgpzURbiCECVNDlqiRvySwwIandq174b5ho0xwuc8Yz7hhY76qXFzkqIt3lzKGUQ==</DP><DQ>lkj0F0vC8bu0dZyRNCmpvcSTNYEnMDYoMFIJDdKr/ZVglj5kuNdm3fFlqyWyHBYXGvtJ+jOw2AzqnFBDALqMNQ==</DQ><InverseQ>jQhrgi6tUQ0XpH1QIzLmHEMZn1PukayA+5tBps3SCswnFQC3iSW58N/m2YX2Z37USXQtqG8/HmZTyrUdAzkgMA==</InverseQ><D>hzCUyCjyY/ihdqTnoWqrZFjzBLSg+jX7ZCdsOkFKlvx1i2D/h07hc5x2cq13URTDk6IIJjaTl3NsWdrRk7shv4sXcW5bKg57GPvV6CHRij0Af1xQRLpYsgzeyVjRgKaU+Ea9KZV+mYQ8Ey56krF8MW0/Y4IsVvc1sGWG3HixFEE=</D></RSAKeyValue>";

RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider();

rsa.FromXmlString(xmlPrivateKey);

byte[] pe = ms.ToArray();

byte[] sis = rsa.SignData(pe, typeof(System.Security.Cryptography.SHA1));

txtInfo.Text += ">>> 对合成数据进行签名成功!\r\n";

txtInfo.Text += ">>> 正在升级...";

Application.DoEvents();

int ret = +tcu.Update(pe, sis);

if (ret == 0)

{

txtInfo.Text += "成功!\r\n";

}