OTA的学习
一、什么是OTA?
OTA升級機制可以讓聯(lián)網(wǎng)設備在固件正常運行時通過網(wǎng)絡（WIFI或藍牙）進行固件升級。
要想通過OTA方式進行固件升級，首先要配置設備的分區(qū)表。
二、什么是分區(qū)表？
每片ESP32的flash上，可包含多個應用程序和多種不同類型的數(shù)據(jù)（例如校準數(shù)據(jù)、文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)、參數(shù)存儲器數(shù)據(jù)等）。具體來說，分區(qū)表就在ESP32flash的默認偏移地址0x8000處，長度為0x1000（4KB）。
flash地址在0x9000之前的結(jié)構(gòu)是固定的，第一部分是二級的BootLoader，后面緊接著就是分區(qū)表，尺寸為0x1000。分區(qū)表的主要作用就是用來管理0x9000之后的數(shù)據(jù)。
三、如何創(chuàng)建分區(qū)表？
我們可以創(chuàng)建一個分區(qū)表文件來實現(xiàn)，即CSV文件。下表是一張ESP32 flash大小為4M的分區(qū)表文件。
在這個分區(qū)表中，指定了兩個1600KB大小的應用程序分區(qū)（APP），存放我們待升級的固件，因此我們升級的固件大小不能超過1600KB。
ESP32 SPI Flash 內(nèi)有與升級相關的（至少）四個分區(qū)：OTA data、Factory App、OTA_0、OTA_1。其中 FactoryApp 內(nèi)存有出廠時的默認固件。
首次進行 OTA 升級時，OTA Demo 向 OTA_0 分區(qū)燒錄目標固件，并在燒錄完成后，更新 OTA data 分區(qū)數(shù)據(jù)并重啟。
系統(tǒng)重啟時獲取 OTA data 分區(qū)數(shù)據(jù)進行計算，決定此后加載 OTA_0 分區(qū)的固件執(zhí)行（而不是默認的 Factory App 分區(qū)內(nèi)的固件），從而實現(xiàn)升級。
同理，若某次升級后 ESP32 已經(jīng)在執(zhí)行 OTA_0 內(nèi)的固件，此時再升級時 OTA Demo 就會向 OTA_1 分區(qū)寫入目標固件。再次啟動后，執(zhí)行 OTA_1 分區(qū)實現(xiàn)升級。以此類推，升級的目標固件始終在 OTA_0、OTA_1 兩個分區(qū)之間交互燒錄，不會影響到出廠時的 Factory App 固件。
四、怎么配置OTA FLASH分區(qū)？
在創(chuàng)建此分區(qū)文件后，我們可以在編譯項目時通過 menuconfig中配置指定自定義分區(qū)表文件。
你可以在菜單Partition Table-->Partition Table中選擇為Custom partition table CSV，同時選定分區(qū)表文件。
芯片升級整體過程
首先是連接上網(wǎng)絡。其次是定義分區(qū)表，確定OTA_0和OTA_1。
芯片從OTA_0啟動然后觸發(fā)OTA升級。芯片將從HTTPS服務器下載新固件并將其保存到OTA_1分區(qū)中，然后將自動更新ota_data分區(qū)數(shù)據(jù)，指示下次重啟后應從OTA1分區(qū)啟動。引導加載程序?qū)⒆x取ota_data分區(qū)中的內(nèi)容并運行所選定的應用程序分區(qū)。
應用程序回滾
如果在新版應用第一次啟動時發(fā)生斷電或意外崩潰，則會回滾至之前正常運行的版本。
建議：盡快完成自測，防止因斷電回滾。
只有?OTA?分區(qū)可以回滾。工廠分區(qū)不會回滾。
回滾的主要目的是確保設備更新后正常運轉(zhuǎn)。該功能可使設備在更新新版本后出現(xiàn)嚴重錯誤時，回滾到之前正常運行的應用版本。當設置了回滾使能，并執(zhí)行完OTA升級，應用更新至新版本后，芯片可能有三種情況。
1、應用程序運行正常。esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback()標記合法函數(shù)將應用程序狀態(tài)標記為合法 ESP_OTA_IMG_VALID，啟動無限制。
2、應用程序出現(xiàn)嚴重錯誤，無法繼續(xù)工作，必須回滾到原先版本。esp_ota_mark_app_invalid_rollback_and_reboot()標記非法重啟函數(shù)將正在運行的版本標記為非法ESP_OTA_IMG_INVALID，然后重啟芯片。重啟后引導加載器不會選取剛才更新的版本，而是此前正常運行的版本。
?實現(xiàn)原理
核心流程：
1.制作升級包
2.下載升級包
3.驗簽升級包
4.更新程序
下載方式：
不管采用OTA方式還是有線通信方式升級，下載升級包的方式包括后臺式下載和非后臺式下載兩種模式。
后臺式下載：
在升級的時候，新固件在后臺悄悄下載，即新固件下載屬于應用程序功能的一部分，在新固件下載過程中，應用可以正常使用，也就是說整個下載過程對用戶來說是無感的，下載完成后，系統(tǒng)再跳到BootLoader程序，由BootLoader完成新固件覆蓋老固件的操作。比如智能手機升級Android或者iOS系統(tǒng)都是采用后臺式方式，新系統(tǒng)下載過程中，手機可以正常使用。
非后臺式下載：
在升級的時候，系統(tǒng)需要先從應用程序跳入到BootLoader程序，由BootLoader進行新固件下載工作，下載完成后BootLoader繼續(xù)完成新固件覆蓋老固件的操作，至此升級結(jié)束。早先的功能機就是采用非后臺來升級操作系統(tǒng)的，即用戶需要先長按某些按鍵進入bootloader模式，然后再進行升級，整個升級過程中手機正常功能都無法使用
新舊固件覆蓋模式：
新固件替換老固件覆蓋的兩種方式：雙區(qū)模式和單區(qū)模式。
雙區(qū)模式：
雙區(qū)模式中老固件和新固件在flash中各占一塊bank（存儲區(qū)）。假設老固件放在bank0（運行區(qū)）中，新固件放在bank1（下載區(qū)）中，升級的時候，應用程序先把新固件下載到bank1中，只有當新固件下載完成并校驗成功后，系統(tǒng)才會跳入BootLoader程序，然后擦除老固件所在的bank0區(qū)，并把bank1的新固件拷貝到bank0中。
后臺式下載必須采用雙區(qū)模式進行升級。
優(yōu)點：
升級過程中出現(xiàn)問題或者新固件有問題，它還可以選擇之前的老固件老系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行而不受其影響。
缺點：
多占用flash空間的一個存儲區(qū)，在系統(tǒng)資源比較緊張的時候較為困難。
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單區(qū)模式：
單區(qū)模式的非后臺式下載只有一個bank0（運行區(qū)），老固件和新固件共享這一個bank0。升級的時候，進入bootloader程序后先擦除老固件，然后直接把新固件下載到同一個bank中，下載完成后校驗新固件的有效性，新固件有效升級完成，否則要求重來。
優(yōu)點：
跟雙區(qū)模式相比，單區(qū)模式節(jié)省了Flash空間的一個bank，在系統(tǒng)資源比較緊張的時候，單區(qū)模式是一個不錯的選擇。
缺點：
如果升級過程中出現(xiàn)問題或者新固件有問題，單區(qū)模式碰到這種情況就只能一直待在bootloader中，然后等待再次升級嘗試，此時設備的正常功能已無法使用，從用戶使用這個角度來說，可以說此時設備已經(jīng)“變磚”了。
相比較，雙區(qū)模式雖然犧牲了很多存儲空間，但是換來了更好的升級體驗。
二、MCU OTA升級
以MCU（微控制器）固件升級為例，講解嵌入式裸機程序的OTA升級。由于裸機固件是固化在設備的存儲器（如flash）中，即存儲器中保存的是機器碼，對MCU進行OTA固件升級，也就是要實現(xiàn)通過OTA方式將存儲器中舊固件的機器碼替換為新固件的機器碼。
數(shù)字簽名
簽名：
A給B發(fā)送消息，A先計算出消息的消息摘要，然后使用自己的私鑰加密消息摘要，被加密的消息摘要就是簽名。
驗簽：
B收到消息后,也會使用和A相同的方法計算消息摘要，然后用A的公鑰解密簽名，并與自己計算出來的消息
摘要進行比較，如果相同則說明消息是A發(fā)送給B的，同時,A也無法否認自己發(fā)送消息給B的事實。
(B使用A的公鑰解密簽名文件的過程，叫做"驗簽")
密碼學基礎概念：
1.什么是消息摘要？
2.什么是非對稱加解密？私鑰與公鑰？
3.什么是數(shù)字簽名？
數(shù)字簽名的作用：
保證數(shù)據(jù)完整性，機密性和發(fā)送方角色的不可抵賴性。
消息摘要函數(shù)：
MD4、MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512
數(shù)字簽名算法：
RSA、Rabin方式、ElGamal方式、DSA
2.1 ?制作升級包
通過簽名工具使用簽名算法對固件進行數(shù)字簽名，簽名后的文件即為升級包。
升級包的內(nèi)容一般包括firmware、header和signature value。
Firmware:固件
Header:頭部信息。存放配置信息，如版本號、產(chǎn)品類型等。
Signature value:簽名值。對firmware和header簽名后的值。
簽名工具：
上位機軟件，能計算固件的簽名值，并將固件打包為升級包的格式。
固件簽名：
上位機軟件先計算整個固件的消息摘要，使用非對稱密碼的私鑰對摘要進行加密，
被加密后的消息摘要數(shù)據(jù)就是簽名值。
固件簽名的意義：
計算hash值可以識別固件是否被篡改和偽裝，確保固件的完整性。
使用非對稱秘鑰簽名方便后續(xù)驗證升級包身份的合法性。
2.2? 下載升級包
根據(jù)上位機軟件和MCU設備約定的通信協(xié)議，上位機軟件將升級包通過OTA方式發(fā)送給MCU設備，
MCU設備收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議解析出升級包的數(shù)據(jù)，并將升級包的數(shù)據(jù)保存到存儲器中。
通信協(xié)議的作用：
通訊雙方約定俗成地用于數(shù)據(jù)交流的格式。
下載的方式：
1.在應用程序中下載：后臺式
2.在BootLoader中下載：非后臺式
2.3? 驗簽升級包
MCU設備接收完所有的升級包后，先計算升級包中固件的摘要，然后使用非對稱秘鑰的
公鑰解密升級包的簽名值，如果解密出來的固件摘要與自己計算的摘要相同，則驗簽成功。
2.4? 更新固件
驗簽成功保證了固件的完整性和合法性后，MCU設備從應用程序進入BootLoader程序，
在BootLoader程序中將flash中的新固件數(shù)據(jù)搬運到舊固件的存儲區(qū)，將其覆蓋。
然后BootLoader程序啟動固件運行，此時固件為新固件。
flash固件數(shù)據(jù)更新：
擦除flash，寫flash。
在使用分區(qū)表時，最簡單的方法就是打開項目配置菜單（idf.py?menuconfig），并在?CONFIG_PARTITION_TABLE_TYPE?下選擇一個預定義的分區(qū)表：
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“Single factory app, no OTA”
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“Factory app, two OTA definitions”
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分區(qū)表設置成Factory app, two OTA definitions
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這里我們選擇如下：
- 在以上兩種選項中，出廠應用程序均將被燒錄至 flash 的 0x10000 偏移地址處。這時，運行?idf.py partition-table?，即可以打印當前使用分區(qū)表的信息摘要（當然肯定是得先燒寫程序到ESP32里面）
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輸入 idf.py monitor，結(jié)果如下
?分區(qū)表設置成Single factory app, no OTA
?輸入 idf.py monitor，結(jié)果如下
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?分區(qū)表設置為Single factory app(large),no OTA
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?接下來演示在本地 PC 端搭建 http 服務器實現(xiàn)?ESP32?OTA 過程
?設置 WiFi 賬號密碼：
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注意：wifi的SSID和密碼一定要跟連接的熱點或者路由器一致。
?使能 HTTP OTA：
?由于 ESP-IDF 默認為 HTTPS OTA，需要在?menuconfig?里打開以下選項來讓 HTTP OTA 成功進行
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準備需要 OTA 的 Bin 文件
在此處以需要升級的 Bin 為 helloworld.bin?為例，將?helloworld.bin?文件放在build目錄下?
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?查詢 python 版本，執(zhí)行如下命令：
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- 如果上述指令返回的 Python 版本是 3.X ，通過如下命令建立服務器
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??查詢本機 IP
在任意終端輸入?ipconfig，結(jié)果如下
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可以看到 PC 的 ip 地址為?192.168.1.102?，后續(xù)在填寫 OTA URL 時需要用到此 ip。?
?注：服務器建立好后，可通過網(wǎng)址 ip地址:8070?在網(wǎng)頁端查詢本地服務器（ip地址為pc機的地址）
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?這個目錄列表就是終端的路徑下的。
進入網(wǎng)頁后，這里主要是復制hello_world.bin的地址
?我這里復制到的地址如下所示，這就是新固件的下載地址待會需要用到
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配置 OTA URL?
?menuconfig 里配置 OTA URL 為?http://192.168.1.102:8070/hello_world.bin
1.到此升級包準備工作已經(jīng)完成
2.那個http服務端需要一直打開，不能關閉
3.你的電腦必須是在2.4G頻段的wifi，否則ESP32無法和電腦在同一個局域網(wǎng)內(nèi)
4.點擊hello_world.bin，看看能不能下載，如果不能下載，可能是電腦的防火墻攔截了，可以關閉防火墻試試。否則你的ESP32也是不能下載到固件的
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?檢查分區(qū)表
在上述 menuconfig 里檢查分區(qū)表是否選擇為正確包含 OTA 分區(qū)的分區(qū)表，OTA 示例里會默認做以下修改：?
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?開始 OTA
此時在 OTA 示例終端 下輸入?idf.py flash monitor?編譯燒寫 OTA 示例至 ESP32 中即可發(fā)現(xiàn) OTA 升級成功。?
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總結(jié)
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