【物聯網智能網關-18】多通道遠程安全升級

時間 2019-11-17

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一個典型的物聯網系統，每每有上百個，甚至成千上萬個聯網節點，而且每一個節點聯網的方式可能不一樣，好比有Zigbee聯網，有430/470M無線方式聯網，有GPRS/3G無線模塊聯網，有RS485/CAN總線方式聯網，有以太網TCP/IP方式聯網等等。如此種種節點，若是須要進行程序更新，這是一個很是使人頭疼的事。安全

另外，隨着物聯網各類項目的大量實施，在運行維護過程當中，其技術人員的交通住宿成本及人力成本的逐年增長，讓設備的遠程維護，遠程升級功能變得愈來愈重要了。服務器

可是要實現遠程升級，也不是一件容易的事，須要重點解決以下三方面的事情：第一就是安全，如何防止有惡意的人篡改和遠程升級相關設備的程序；第二就是遠程升級通訊信道的問題，好比國內的GPRS和3G模塊，因爲被分配的IP地址不是公網地址，因此必須反連，也就是說模塊要主動請求服務器進行遠程升級，而不是常規程序升級的作法，直接訪問設備對設備進行升級，另外就是各類通訊接口的支持，好比Zigbee，430/470M無線信道，因爲這類設備，每次傳輸的字節數有限，實現遠程升級功能也要充分考慮到這一點。第三就是可靠升級，好比升級一半，設備忽然掉電，如何確保設備不變磚。socket

基於.NET Micro Framework系統的物聯網智能網關，分別採用以下技術來解決以上所提到的問題。ide

【安全問題】函數

.NET Micro Framework系統，在V4.1版本以前，一直提供了兩種加解密方法，一種是非對稱加密RSA和對稱加密XTEA（這部分代碼一直沒有開源，提供各類ARM版本和X86的鏈接庫），可是這個庫其中的RSA有兩個致命的問題，一個是其生成的公鑰和私鑰沒法和Windows或其餘平臺的目前已有的方法提供的一致，互不通用。另一個問題就是其X86版本和嵌入式版本，其加解密居然沒法實現互解（另外也發現嵌入式版本的RSA加密，沒法對特定長度的明文進行加解密）。工具

4.2版本以後，封裝了OpenSSL中的RSA、AES，DES等加密方法，可是對一些運行.NET Micro Framework系統比較小的嵌入式設備來講，集成一個OpenSSL庫有些太大了，大概增長400K字節大小，比一個.NET Micro Framework系統還要大，這是讓人沒法承受的。加密

後續從新自行調整和構建了RSA相關代碼，算相對完美的解決了這個問題。（關於加解密的詳情，後續有專門的文件進行介紹）。.net

遠程升級的思路：3d

首先對要升級的文件進行SHA1哈希計算，拼裝成標準簽名文件後，用RSA的私鑰對該數據進行加密 –- 對升級文件進行簽名。調試

考慮到嵌入式系統RAM空間有限，數據能夠分批，分片寫入到Flash區域中，等徹底寫入完畢後，直接在Flash上（非NandFlash,能夠直接訪問），用預先下載好的公鑰進行簽名驗證。

【信道問題】

其實.NET Micro Framework系統也提供了官方的遠程升級方案，甚至爲了實現這個功能，新提供一個MicroBooter來配合完成遠程升級。可是其通訊信道是基於.NET Micro Framework調試口的，這就有一個很大的問題，好比GPRS/3G通訊設備沒法遠程直接訪問，Zigbee，430/470M無線模塊，每次傳輸的數據有限，都沒法被配置爲調試通道。

咱們的解決方案是，信道和具體的升級功能功能徹底剝離，這樣信道的問題，就簡化成如何遠程獲取升級文件和簽名的問題。針對這個問題，可實現的方案有不少種，也能夠分爲主動式和被動式升級。

【可靠升級】

咱們採起的方案是，接收到的數據，先更新到一個系統Flash區，下載完畢後，用公鑰進行簽名驗證，驗證經過後（一是驗證來源是否可靠，另外就是驗證升級文件的完整性），才置相關標誌位，而後讓系統復位，復位後根據相關的標誌，把相關數據轉移到正常程序區，並加載運行。

從以上步驟中能夠看出，若是遠程升級過程沒有完成，原來的程序還將繼續保持，並不會被破壞。

升級流程示意圖以下：

下面讓咱們詳細介紹完整的遠程升級流程：

建立公鑰和私鑰

在示例「數據加密解密」中，咱們提供了一個和.NET Micro Framework相對應的Windows版本的數據加密解密程序（界面以下圖所示）。其用到的加解密函數，都是.NET Framework的標準加密解密庫。

考慮到存儲空間，設備端（.NET Micro Framework系統）的二進制格式的密鑰和上位機的二進制格式略有不一樣，實際要小一些，好比公鑰的指數，通常都固定爲0x1,0x0,0x1三個字節的數，因此就省略了。同理私鑰也是作了這樣的處理。

可是xml格式的都是同樣的，底層也提供了一個接口函數，能夠直接導入XML格式的密鑰。

爲了各自的方便，咱們爲對應的PC端程序（遠程升級的發起方）提供的是XML格式的私鑰，爲設備端（被升級的一方）提供的是二進制格式的公鑰。

分別用剛纔提到的工具進行導出。

導出私鑰的相關代碼其實很簡單，默認是1024位的Key，代碼以下：

RSACryptoServiceProvider mskey = new RSACryptoServiceProvider();

string xmlKey = mskey.ToXmlString(true);

針對二進制格式的公鑰，其實咱們僅導出128字節的Modulus的數據：

byte[] key = new byte[128];

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

公鑰部署

採用最新版本的YFAccessFlash工具（V3.12.0以上），把導出的二進制格式的公鑰部署到設備上（.NET Micro Framework系統）。

公鑰提取及程序部署、校驗

如下代碼完成公鑰的提取（須要引用YFSoft.Config庫）

byte[] PublicKey = new byte[128];

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

{

//…

}

分如下四步分別完成程序的部署和校驗（須要引用YFSoft.RemoteUpgrade庫）

第一步：清空系統部署區

RemoteUpgrade.Initialize();

第二步：向系統數據區寫數據（能夠分塊寫）

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

第三步：RSA+SHA1校驗

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

第四步：置標誌位，系統重啓

RemoteUpgrade.Finish();

升級文件及簽名數據遠程傳輸

以上幾步，基本上流程一致，沒有多少變化，可是這一步，變數比較大。從物理信道上來講，能夠是以太網、Wifi、藍牙、無線（430M/470M）、Zigbee、RS232/RS485串口通訊、GPRS/3G等等。

即便同一個信道，採用的升級策略也不相同，好比能夠是主動式，和被動式。所謂的主動式，就是遠程能夠直接對遠程的模塊進行升級，是相對即時的一種的方式。而被動式，是遠程模塊，每隔特定的時間間隔，主動去訪問指定的服務器，根據獲取的信息，判斷是否該升級。好比國內經過GPRS/3G通道，也只能採用這種方式了。

咱們提供的兩個例子，一個是基於以太網TCP/IP通訊，一個是基於串口通訊，都是主動式的。不過例子中提供了一個YFSoft.WireProtocol源碼類，和特定的信道，還有主動被動都沒有關係，只須要實現相關的委託接口就能夠完成遠程升級文件的接收或發送。

要實現的三個接口分別是：

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

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

public delegate int GetReceiveCountHandle();

第一個是發送數據用的，第二個是接收數據用的，第三個是獲取接收緩衝區數據個數的。而且這個YFSoft.WireProtocol.cs文件，桌面.NET Framework和設備.NET Micro Framework徹底同樣的。

好比若是通訊信道是串口，則這三個接口的實現代碼以下：

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;

}

若是是網口，則代碼以下：

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;

}

接下來，在設備端主程序中，只須要添加兩句代碼，就能夠實現遠程升級的服務端功能。

若是是串口，代碼以下：

//遠程升級服務（基於串口）

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

tsu.Launch();

若是是網口，代碼以下：

//遠程升級服務(基於TCP)

TcpServerUpdate tsu = new TcpServerUpdate(10189,true);

tsu.Launch()

PC端的接口實現相似，可是遠程數據有所不一樣，因爲串口方式和網口方式基本同樣，因此咱們僅舉以太網通訊方式。

具體的升級代碼以下：

private void btnUpdate_Click(object sender, EventArgs e)

{

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

{

txtInfo.Text = ">>> 提取如下文件的數據...\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 += ">>> 提取併合成數據成功!\r\n";

//建立簽名文件

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 += ">>> 對合成數據進行簽名成功!\r\n";

txtInfo.Text += ">>> 正在升級...";

Application.DoEvents();

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

if (ret == 0)

{

txtInfo.Text += "成功!\r\n";

}