王楠楠，華 中，寇志強(qiáng)，楊愛萍，宋占杰

（1.天津大學(xué) 電視與圖像研究所，天津 300072；2.天津中環(huán)電子信息集團(tuán)有限公司，天津 300190；3.天津鉑創(chuàng)國茂電子科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

基于Android的改進(jìn)雙Loader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王楠楠1，華 中2，寇志強(qiáng)3，楊愛萍1，宋占杰1

（1.天津大學(xué) 電視與圖像研究所，天津 300072；2.天津中環(huán)電子信息集團(tuán)有限公司，天津 300190；3.天津鉑創(chuàng)國茂電子科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

Android機(jī)頂盒智能終端因具有開放的開發(fā)平臺(tái)、多樣化的圖形界面和友好的用戶體驗(yàn)而深受開發(fā)商和用戶的青睞，然而其軟件升級(jí)的核心模塊Loader還有待完善。為了克服因意外導(dǎo)致Loader損壞而使機(jī)頂盒喪失軟件升級(jí)功能的缺陷，引入“雙Loader”運(yùn)行模式；為了確保升級(jí)文件的正確性和完整性，增加升級(jí)的可靠性，采用雙重CRC算法對(duì)升級(jí)文件進(jìn)行校驗(yàn)；而數(shù)字簽名技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商對(duì)軟件升級(jí)的控制。測(cè)試結(jié)果表明，新方案有效地完成了Android機(jī)頂盒應(yīng)用程序及Loader本身的升級(jí)，為Android機(jī)頂盒開發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商提供了一種優(yōu)良的軟件升級(jí)方案。

Android機(jī)頂盒；Loader；雙loader；雙重CRC校驗(yàn)；數(shù)字簽名

Android系統(tǒng)[1]是Google公司于2009年開發(fā)的一個(gè)新興的開放性的智能系統(tǒng)平臺(tái)，它采用Linux內(nèi)核，具有高穩(wěn)定性、可靠性，以及很好的可伸縮性和擴(kuò)展性，能夠針對(duì)不同的應(yīng)用和硬件環(huán)境調(diào)整，優(yōu)化出滿足當(dāng)前應(yīng)用需要的最佳性能。因此，具有Android系統(tǒng)的智能終端設(shè)備深受用戶的喜愛。

隨著Android系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字電視技術(shù)的日新月異，基于Android系統(tǒng)的數(shù)字電視機(jī)頂盒應(yīng)運(yùn)而生。作為一種新興的智能終端設(shè)備，軟件在其中扮演了非常重要的角色。由于機(jī)頂盒的功能不斷拓展，內(nèi)部的軟件及Loader[2]本身的不斷更新，Android機(jī)頂盒能夠進(jìn)行軟件升級(jí)的需求也變得日益迫切。目前，機(jī)頂盒Loader模塊多基于Linux平臺(tái)[3]，基于Android平臺(tái)的少之又少，而且還存在很大的弊端。因此，為了保護(hù)開發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商的利益，也為了讓用戶及時(shí)地享受新服務(wù)、感受新技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于Android的能有效的完成應(yīng)用程序以及自身升級(jí)的Loader模塊。

1 Loader的設(shè)計(jì)

Loader中文名是下載器，是機(jī)頂盒軟件升級(jí)的功能模塊，也是其核心模塊，Loader模塊對(duì)于機(jī)頂盒的正常工作和后續(xù)軟件的升級(jí)起著至關(guān)重要的作用。本文設(shè)計(jì)的Loader在運(yùn)行模式上，采用“雙Loader”運(yùn)行模式；在升級(jí)文件完整性校驗(yàn)上，采用雙重CRC32算法校驗(yàn)；而在安全性上，結(jié)合信息摘要算法（Hash算法）與RSA算法，對(duì)升級(jí)文件添加數(shù)字簽名。具體框架如圖1所示。

1.1 雙Loader

當(dāng)Loader軟件出現(xiàn)BUG或與前端設(shè)備不匹配時(shí)就必須通過Loader模塊的自身升級(jí)進(jìn)行修復(fù)，然而Load?er在進(jìn)行自身升級(jí)時(shí)，一旦發(fā)生意外將導(dǎo)致安裝失敗，Loader程序便不能正常運(yùn)行，用戶便無法通過軟件升級(jí)來享受新服務(wù)、新技術(shù)。因此，為了確保Loader程序的可用性，保證用戶能及時(shí)地進(jìn)行軟件更新，本方案引入“雙Loader”運(yùn)行模式，即除了與開機(jī)引導(dǎo)程序（Start?er）、應(yīng)用程序（App）同在系統(tǒng)應(yīng)用分區(qū)中的主Loader外，SD卡分區(qū)中也存放了一份備份Loader安裝包。若因意外導(dǎo)致升級(jí)失敗或Loader損壞，機(jī)頂盒重啟后，Starter檢測(cè)到主Loader損壞便調(diào)用安裝SD卡分區(qū)的備份Loader安裝包進(jìn)行同步過程，即安裝SD卡中的備份Loader替換損壞的主Loader，使機(jī)頂盒能重新具有升級(jí)功能。而在Loader完成自身升級(jí)后，要用新升級(jí)的Loader安裝包替換原來的備份Loader安裝包，以保證備份Loader隨著主Loader的更新而更新。雙Loader同步的具體過程如圖2所示。

圖1 改進(jìn)的Laoder框架

圖2 雙Loader同步過程

1.2 雙重CRC校驗(yàn)

升級(jí)流是由一個(gè)或多個(gè)PES[4]包組合而來的，由于數(shù)據(jù)的完整性十分重要，運(yùn)營(yíng)商在前端發(fā)送升級(jí)流時(shí)在每個(gè)PES包中均增加了CRC校驗(yàn)碼。然而，單一的CRC校驗(yàn)并不能完全可靠地驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，升級(jí)文件在傳輸?shù)倪^程可能會(huì)出現(xiàn)部分丟失或損壞的現(xiàn)象，造成文件傳輸不完整，因此，為了增加校驗(yàn)的可靠性，本文在原有的基礎(chǔ)上再增加了一重CRC校驗(yàn)，即對(duì)升級(jí)文件進(jìn)行雙重CRC校驗(yàn)，以確保升級(jí)文件完整。

CRC[5]校驗(yàn)，即循環(huán)冗余校驗(yàn)，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，相對(duì)于目前常用的MD5算法，CRC算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)間短。經(jīng)過CRC算法處理后的升級(jí)文件通過HFC網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶終端，用戶終端Loader模塊下載時(shí)首先對(duì)每個(gè)PES包進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過的PES包保存有效載荷區(qū)，未通過的舍棄，重復(fù)上述過程，直至所有升級(jí)文件下載完成為止。下載完成后再對(duì)緩存區(qū)的待升級(jí)文件進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)通過，則繼續(xù)升級(jí)過程，反之則停止升級(jí)過程。雙重CRC校驗(yàn)的具體過程如圖3所示。

1.3 數(shù)字簽名

機(jī)頂盒品牌不同，Loader模塊實(shí)現(xiàn)升級(jí)的方式也不同。因此，為了讓本品牌的機(jī)頂盒只下載屬于自己的軟件，拒絕非法軟件的安裝，本文采用基于簽名的權(quán)限檢查機(jī)制[6]，結(jié)合信息摘要算法（Hash算法）與數(shù)字簽名技術(shù)對(duì)升級(jí)流進(jìn)行加解密處理，讓機(jī)頂盒以更安全的方式進(jìn)行軟件更新。

RSA[7]算法是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數(shù)字簽名的算法，是迄今為止理論上最為成熟完善的公鑰密碼體制。然而，RSA加密算法適合處理小數(shù)據(jù)量的信息，對(duì)大數(shù)據(jù)文件運(yùn)算效率較低。所以，對(duì)于大數(shù)據(jù)文件，本文結(jié)合信息摘要算法（Hash算法）只對(duì)其信息摘要進(jìn)行加密，然后將加密的摘要與待升級(jí)的原文件一起發(fā)送到用戶終端。用戶終端Loader模塊接收完升級(jí)包后，首先利用固化在機(jī)頂盒中的運(yùn)營(yíng)商公鑰（OPK）對(duì)加密的提供商私鑰（PSK）進(jìn)行解密，然后用解密后的私鑰（PSK）解密發(fā)送方加密的摘要文件，得到發(fā)送方升級(jí)文件的摘要，最后將下載的升級(jí)文件通過Hash算法生成接收方摘要[8]，由于接收方摘要和發(fā)送方摘要是由相同的方法得到的，若兩者相同，則繼續(xù)升級(jí)過程，否則停止升級(jí)過程，其具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

2 Loader的實(shí)現(xiàn)

Android操作系統(tǒng)擁有開放的開發(fā)平臺(tái)，可幫助運(yùn)營(yíng)商便捷地完成系統(tǒng)的修改和二次開發(fā)，當(dāng)某一程序經(jīng)過完善再次投入使用時(shí)需要通過Android機(jī)頂盒Loader模塊進(jìn)行軟件更新。軟件更新可通過自動(dòng)升級(jí)或手動(dòng)強(qiáng)制升級(jí)來完成。

圖3 雙重CRC校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程

圖4 數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)過程

2.1 自動(dòng)升級(jí)

自動(dòng)升級(jí)是指由運(yùn)營(yíng)商前端統(tǒng)一播發(fā)升級(jí)數(shù)據(jù)流，通過網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT）中的描述符（linkage_descrip?tor）中相關(guān)內(nèi)容的變化觸發(fā)升級(jí)[9]。linkage_descriptor中相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

表1 linkage_descriptor描述子部分內(nèi)容

根據(jù)NIT表檢索機(jī)制，當(dāng)機(jī)頂盒主程檢測(cè)到機(jī)頂盒序列號(hào)在NIT表規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，且兩者OUI、硬件版本相等，linkage中軟件版本高于機(jī)頂盒中版本時(shí)，先將前端升級(jí)碼流的信道參數(shù)（下載頻率、符號(hào)率、解調(diào)參數(shù)等）與一些狀態(tài)變量存儲(chǔ)后，再引導(dǎo)機(jī)頂盒重啟進(jìn)入Loader。Loader程序根據(jù)存儲(chǔ)的升級(jí)參數(shù)下載升級(jí)流進(jìn)行升級(jí)過程。升級(jí)完成后，若是Loader自身的升級(jí)，則需更新SD卡分區(qū)中備份Loader安裝包。當(dāng)自動(dòng)升級(jí)失敗次數(shù)超過2次，需手動(dòng)升級(jí)來實(shí)現(xiàn)軟件的更新。自動(dòng)升級(jí)具體流程如圖5所示。

2.2 手動(dòng)升級(jí)

手動(dòng)升級(jí)是指用戶在機(jī)頂盒開啟時(shí)通過手動(dòng)操作強(qiáng)制進(jìn)入Loader升級(jí)過程。此時(shí)升級(jí)參數(shù)是由用戶手動(dòng)設(shè)置而非前端碼流中的參數(shù)。若用戶設(shè)置下載方式為主動(dòng)下載，則Loader程序根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)下載升級(jí)流進(jìn)行升級(jí)過程；反之，則需要檢測(cè)NIT表，并根據(jù)NIT表中信道參數(shù)下載升級(jí)文件進(jìn)行升級(jí)過程，手動(dòng)升級(jí)的具體過程如圖6所示。

圖5 自動(dòng)升級(jí)流程圖

圖6 手動(dòng)升級(jí)流程圖

3 性能分析

本文在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用狀態(tài)下測(cè)試所設(shè)計(jì)方案的性能，終端Android機(jī)頂盒配置為：內(nèi)存為512Mbyte，F(xiàn)alsh512Mbyte，CPU為Hi3716CV100，軟件系統(tǒng)為An?droid4.0.3，前端播發(fā)碼流速度為200kbit/s。由于內(nèi)存限制，最大下載文件在200Mbyte左右。為了確保測(cè)試結(jié)果的可靠性，每個(gè)測(cè)試均選用10臺(tái)相同配置的機(jī)頂盒同時(shí)測(cè)試，每段測(cè)試流播發(fā)500次。其中故障率=總故障數(shù)/總測(cè)試數(shù)。

3.1 自動(dòng)升級(jí)測(cè)試

自動(dòng)升級(jí)是由NIT變化觸發(fā)，自動(dòng)升級(jí)失敗2次后觸發(fā)手動(dòng)升級(jí)。每個(gè)參數(shù)均單獨(dú)測(cè)試，此時(shí)其余參數(shù)均符合升級(jí)要求，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)升級(jí)測(cè)試結(jié)果

3.2 手動(dòng)升級(jí)測(cè)試

手動(dòng)升級(jí)參數(shù)中主動(dòng)下載和非主動(dòng)下載中非主動(dòng)下載檢索機(jī)制不同，因此，除了測(cè)試手動(dòng)按鍵是否能觸發(fā)升級(jí)，也測(cè)試主動(dòng)下載和非主動(dòng)下載，具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 手動(dòng)升級(jí)測(cè)試結(jié)果

3.3 改進(jìn)措施測(cè)試

加密的測(cè)試流公鑰長(zhǎng)度3byte，私鑰長(zhǎng)度64byte，加密強(qiáng)度512bit，下載CRC校驗(yàn)均合法，每個(gè)改進(jìn)措施均獨(dú)立測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

3.4 破壞性測(cè)試

模擬真實(shí)環(huán)境，測(cè)試機(jī)頂盒下載升級(jí)流時(shí)故障處理機(jī)制，其中物理斷線指短時(shí)間中斷（如閃斷、視頻線松動(dòng)、視頻線掉落）。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 改進(jìn)措施測(cè)試結(jié)果

表5 故障測(cè)試結(jié)果

由上述測(cè)試結(jié)果也表明，不符合機(jī)頂盒生產(chǎn)商要求的升級(jí)文件、不完整的升級(jí)文件、未受廣電運(yùn)營(yíng)商許可的升級(jí)文件均不能進(jìn)行更新，這說明本文設(shè)計(jì)的Loader方案切實(shí)可行。

4 小結(jié)

目前，該方案已通過天津廣電的測(cè)試要求，并且已得到部分Android生產(chǎn)商的認(rèn)可?！半pLoader”運(yùn)行模式的采用大大降低了機(jī)頂盒故障率，雙重加密技術(shù)的采用不僅保證了升級(jí)文件的正確性和升級(jí)的安全性，也實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商對(duì)軟件升級(jí)的管控，確保升級(jí)軟件的合法性且保證機(jī)頂盒只接受本機(jī)頂盒廠商的升級(jí)軟件，為Android機(jī)頂盒生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商提供了一種優(yōu)良的軟件升級(jí)方案。

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[9] IEC13818-6，天津廣電Loader規(guī)范[S].2012.

華 中，博士，中環(huán)電子科技集團(tuán)高級(jí)顧問；

宋占杰（1963—），博導(dǎo)，教授，研究方向?yàn)殡S機(jī)過程采樣、重構(gòu)與逼近、隨機(jī)信號(hào)壓縮采樣及統(tǒng)計(jì)分析、水文測(cè)量與海洋監(jiān)測(cè)的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型研究。

Implementation and Design of Improved Double Loader Based on Android

WANGNannan1，HUAZhong2，KOUZhiqiang3，YANGAiping1，SONGZhanjie1
（1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin300072,China；2.Tianjin Zhonghuan Elec.&ITGroupCo.,Ltd., Tianjin300190,China;3.Tianjin BotroElectronicalScienceandTechCo.,Ltd.,Tianjin300384,China）

Open development platform, a variety of graphical interface and friendly user experience for Android STB are appreciated by developers and users. However Loader, the core module of software upgrade, has to face many challenges. The "Double-Loader" operation mode is introduced to overcome the loss of STB software upgrade function defects which caused by accidental damage. The double CRC check is used to ensure the completeness and correctness of the upgrade file. The digital signature technology is adopted to realize the real-time control of software upgrade. Test results show that the proposed scheme effectively complete the upgrades of application and Loader itself, provide a good software upgrade package for Android STB developers and operators.

Android STB；Loader；double Loader；dual CRC check；digital signatures

TN948

B

王楠楠（1986－），碩士生，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別；

楊愛萍（1977－），女，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像及視頻處理、模式識(shí)別、壓縮感知理論及應(yīng)用等；

??盈

2013-07-06

【本文獻(xiàn)信息】王楠楠，華中，寇志強(qiáng)，等.基于Android的改進(jìn)雙Loader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2014，38（2）.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60932007）