崔競飛 王勁林 張 振

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049;2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京100190;3.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100871)

1 HINOC系統(tǒng)簡介

高性能同軸網(wǎng)絡(luò)(HINOC，High performance Network Over Coax)系統(tǒng)是“三網(wǎng)融合”方案中由中國自主研發(fā)的有限同軸電纜寬帶接入系統(tǒng)解決方案.HINOC同軸電纜接入系統(tǒng)利用了現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)作為家庭用戶接入網(wǎng)，主要由網(wǎng)橋(HB，HINOC Bridge)以及調(diào)制解調(diào)器(HM，HINOC Modem)組成.HB通過光纖連接于光設(shè)備末端，作為與光設(shè)備唯一的傳輸接口，同時(shí)作為HINOC網(wǎng)絡(luò)中心控制單元對網(wǎng)內(nèi)的HM統(tǒng)一進(jìn)行控制.HB與HM通過同軸電纜連接，網(wǎng)管中心主機(jī)負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)升級以及HB與HM的設(shè)備管理，升級服務(wù)器主要為遠(yuǎn)端設(shè)備提供升級文件［1-2］，HINOC系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖 1所示［3］.

圖1 HINOC架構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of HINOC

系統(tǒng)升級設(shè)計(jì)是軟件平臺為了滿足HINOC嵌入式設(shè)備軟件系統(tǒng)升級的需要而設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序.HINOC在投入用戶使用后，隨著軟件版本的不斷更新，需要采用遠(yuǎn)程在線升級來降低成本.系統(tǒng)升級主要考慮升級的穩(wěn)定性、文件傳輸以及更新過程的可靠性、升級系統(tǒng)通信的安全性等關(guān)鍵問題.

2 系統(tǒng)升級機(jī)制設(shè)計(jì)

基于嵌入式平臺的升級系統(tǒng)傳輸?shù)奈募饕▋?nèi)核、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序等.傳輸方法常采用文件整體傳輸和差分文件傳輸［4］.文件傳輸?shù)倪^程中通信系統(tǒng)需要考慮文件保密、身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)完整.數(shù)據(jù)完整校驗(yàn)常采用的方法包括CRC校驗(yàn)和單向散列函數(shù)校驗(yàn)，身份驗(yàn)證機(jī)制則包括對稱加密與非對稱加密［5］.系統(tǒng)升級之后，需要進(jìn)行系統(tǒng)和軟件的重啟，確保升級成功，為了保證遠(yuǎn)端設(shè)備在升級失敗情況下基本功能的正常運(yùn)行，需要引入異常保護(hù)機(jī)制［6］.

2.1 系統(tǒng)升級流程

升級程序主要包括服務(wù)器端程序、客戶端程序以及控制端程序.服務(wù)器端程序運(yùn)行在升級服務(wù)器上，HB和HM運(yùn)行客戶端程序，HINOC網(wǎng)管中心運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制端.升級服務(wù)器在啟動前默認(rèn)已經(jīng)準(zhǔn)備好升級所需要的文件，包括加密的密鑰、需要傳輸?shù)纳壩募?系統(tǒng)升級的序列圖如圖2所示，主要步驟如下:

1)服務(wù)器端程序向網(wǎng)絡(luò)控制端發(fā)送公鑰，網(wǎng)管中心控制端將升級服務(wù)器地址以及解密公鑰發(fā)送到升級客戶端.

2)客戶端程序根據(jù)升級服務(wù)器地址發(fā)送升級請求，與服務(wù)器端建立鏈接.

3)客戶端接收升級文件以及加密的校驗(yàn)信息，通過校驗(yàn)信息和公鑰檢驗(yàn)文件傳輸是否有誤.

4)若文件傳輸正確，備份舊版本文件，若為應(yīng)用程序，直接將文件存儲至指定目錄;若為內(nèi)核文件系統(tǒng)或者 boot腳本，則將文件燒寫至FLASH.

5)通過系統(tǒng)和軟件重啟檢驗(yàn)系統(tǒng)升級是否成功，若重啟成功，則升級成功;若首次重啟失敗，啟用異常保護(hù)機(jī)制，退出此次升級.客戶端同時(shí)向網(wǎng)管中心反饋升級狀態(tài)信息.

圖2 升級系統(tǒng)序列圖Fig.2 Sequence diagram of upgrades

2.2 系統(tǒng)升級關(guān)鍵機(jī)制

升級系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)制包括文件編碼與解碼、文件校驗(yàn)與加密解密以及異常保護(hù)機(jī)制.

2.2.1 文件編碼與解碼

在文件傳輸過程中，文件整體傳輸具有耗時(shí)長、效率低、安全性差等特點(diǎn)，容易造成信息泄露.在HINOC系統(tǒng)中，由于升級文件新舊版本文件之間改動較小，所以選擇差分文件傳輸不僅可以節(jié)約傳輸時(shí)間，減少數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)可以防止信息泄露［7-8］.

最簡單的差分算法是對不同版本的軟件的字符塊按字節(jié)逐個(gè)比較，而本系統(tǒng)中通過計(jì)算字符塊的Hash值［9-10］，采用3層Hash差分比較法生成差分文件，該算法具有計(jì)算速度快、碰撞概率小等特點(diǎn).主要步驟如下:

1)將新版本文件以若干字節(jié)為一個(gè)字符塊，分為若干塊，分別計(jì)算塊的弱Hash值，保存到一個(gè)Hash表中.

2)取一個(gè)新版本字符塊，與舊版本文件字符塊進(jìn)行匹配，首先比較兩個(gè)字符塊的前面幾個(gè)字符.如果不同，則移動一個(gè)字節(jié)，匹配舊版本文件下一個(gè)字符塊;如果相同，則計(jì)算該字符塊的弱Hash值，如果不同，則匹配下一字符塊，如果相同，則進(jìn)一步計(jì)算新舊兩個(gè)字符塊的Hash值，如果3層強(qiáng)Hash值相同則匹配成功.記錄舊版本標(biāo)記、舊字符塊在舊文件中的起始位置及塊長度到一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，并保存到差分文件中.對于舊版本中連續(xù)匹配的字符塊，只需改變結(jié)構(gòu)體變量中的塊長度，減少差分文件數(shù)據(jù).

3)如果到最后沒有找到匹配的舊版本字符塊，則匹配失敗，記錄新版本標(biāo)記、新字符塊在新版本文件中的起始位置及塊長度到一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，復(fù)制新版本字符塊，并保存到差分文件中.對新版本文件的各個(gè)塊連續(xù)查找匹配塊直到結(jié)束，便生成差分文件.服務(wù)器端差分文件生成算法流程如圖3所示.

在客戶端，其還原算法如下:利用差分文件信息，逐個(gè)讀取各個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，如果標(biāo)記為舊版本數(shù)據(jù)，則利用塊起始地址和塊長度，從舊版本文件復(fù)制數(shù)據(jù)到還原文件;如果標(biāo)記為新版本文件，則直接從差分文件復(fù)制數(shù)據(jù)到還原文件.

2.2.2 文件校驗(yàn)與加密

在數(shù)據(jù)校驗(yàn)的機(jī)制設(shè)計(jì)中，CRC校驗(yàn)?zāi)芎芎玫貦z測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，但是因?yàn)镃RC多項(xiàng)式是線性結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)通信中，可以很容易被攻擊者故意改變數(shù)據(jù)而維持CRC不變，因此CRC校驗(yàn)不適合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)校驗(yàn).單向散列函數(shù)校驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)θ我忾L度數(shù)據(jù)變化成固定長度輸出數(shù)據(jù)，具有計(jì)算簡單、數(shù)據(jù)不容易被故意更改等優(yōu)點(diǎn)，常用的算法包括MD5 和 SHA 等［9-12］.

圖3 差分文件生成算法流程圖Fig.3 Flow chart of delta file generating

在身份認(rèn)證設(shè)計(jì)中，常見對稱加密算法有DES和AES算法，其特點(diǎn)是同一密鑰可同時(shí)用于加密和解密，收發(fā)雙方使用同樣的密鑰，缺乏認(rèn)證的功能，其安全性難以得到保障.常用非對稱加密主要有RSA和DSA算法，其特點(diǎn)是密鑰分為公鑰和私鑰，私鑰由收發(fā)其中一方保持，能夠進(jìn)行身份認(rèn)證;而公鑰可對外公開，方便密鑰管理［13-15］.綜上，HINOC系統(tǒng)采用單向散列函數(shù)(MD5算法)校驗(yàn)結(jié)合非對稱RSA加密驗(yàn)證機(jī)制.

升級服務(wù)器主要負(fù)責(zé)生成RSA私鑰和公鑰，并且將公鑰通過網(wǎng)管中心發(fā)送至客戶端.升級服務(wù)器對更新版本文件進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生MD5校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼經(jīng)過RSA私鑰加密，在差分文件傳輸完成后，再發(fā)送給升級客戶端.

客戶端收到加密的校驗(yàn)碼后，利用RSA公鑰解密出服務(wù)端的MD5碼;在還原出升級文件的當(dāng)前版本之后，對其計(jì)算產(chǎn)生還原文件的MD5校驗(yàn)碼.前后兩個(gè)MD5碼進(jìn)行比較，如果相等，則說明升級還原版本文件是完整的，并且發(fā)送方身份是可信任的;否則，說明文件傳輸出現(xiàn)問題，需要重新傳輸文件.

由于發(fā)送文件采用差分編碼，所以即使被沒有經(jīng)過授權(quán)接受者獲得，得到的文件信息也是無效的.本升級系統(tǒng)結(jié)合了文件差分編碼、文件校驗(yàn)和非對稱加密等方式保障升級系統(tǒng)的安全性.

2.2.3 異常保護(hù)機(jī)制

系統(tǒng)異常主要指兩方面:一是由于系統(tǒng)升級中途出現(xiàn)斷電等硬件異常導(dǎo)致內(nèi)核文件更新失敗;二是由于系統(tǒng)內(nèi)核文件區(qū)程序更新錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動.因此升級系統(tǒng)采用兩種主要的保護(hù)方式來應(yīng)對這兩種異常情況.

1)內(nèi)核分區(qū)設(shè)計(jì).

HINOC系統(tǒng)采用兩個(gè)內(nèi)核文件映像分區(qū)方式，其中一個(gè)內(nèi)核文件FLASH分區(qū)在內(nèi)核驅(qū)動中設(shè)置為只讀，在該分區(qū)存儲出廠的內(nèi)核與文件映像;另一個(gè)內(nèi)核文件分區(qū)設(shè)置為可讀寫，該分區(qū)存儲當(dāng)前使用的內(nèi)核與文件映像，當(dāng)系統(tǒng)需要升級內(nèi)核時(shí)，由于內(nèi)核程序是運(yùn)行在RAM中，所以升級程序可以對該FLASH分區(qū)進(jìn)行擦除讀寫以更新內(nèi)核，F(xiàn)LASH分區(qū)設(shè)置如表1所示.

表1 FLASH分區(qū)設(shè)置Table 1 Partition of flash device

2)內(nèi)核重啟機(jī)制.

HM引入了自動重啟機(jī)制解決系統(tǒng)異常問題，該機(jī)制通過系統(tǒng)環(huán)境變量判斷啟動內(nèi)核版本，引入看門狗電路判斷啟動狀態(tài).內(nèi)核重啟狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，主要步驟如下.

①系統(tǒng)啟動前，uboot判斷啟動環(huán)境變量flag1的值:如果flag1=value1，boot從出廠內(nèi)核啟動，flag1值不變，將flag2置為value1;如果flag1=value2，boot從更新內(nèi)核啟動，將flag1置為value1，flag2置為value2.

②系統(tǒng)啟動后，如果啟動成功，判斷flag2的值:如果flag2=value1，可知系統(tǒng)運(yùn)行在出廠內(nèi)核狀態(tài)，將flag1置為value2，判斷更新內(nèi)核文件區(qū)是否錯(cuò)誤，如果錯(cuò)誤則取出備份內(nèi)核文件映像，燒寫到更新內(nèi)核文件區(qū);如果flag2=value2，可知系統(tǒng)運(yùn)行在更新內(nèi)核狀態(tài)，將flag1置為value2.

③系統(tǒng)啟動后，如果啟動失敗:若更新內(nèi)核啟動失敗，則看門狗電路自動重啟設(shè)備，系統(tǒng)將從默認(rèn)內(nèi)核啟動;若默認(rèn)內(nèi)核啟動失敗，則需手動燒寫內(nèi)核，由于默認(rèn)內(nèi)核是寫保護(hù)，所以此類情況出現(xiàn)的可能性可以忽略.

圖4 內(nèi)核重啟狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 State transition diagram of booting

3 系統(tǒng)測試

升級測試環(huán)境如圖5所示，HM(左)通過同軸線與HB(右)相連，HB通過業(yè)務(wù)網(wǎng)口與升級服務(wù)器連接.HB與HM硬件平臺核心處理器是XSCALE PXA270嵌入式處理器，主頻為520MHz，同時(shí)外接32MB的NOR FLASH和32MB的SDRAM存儲器.升級服務(wù)器和網(wǎng)管中心均使用DELL OptiPlex960主機(jī)，核心處理器為 Intel酷睿2四核Q9650處理器.

圖5 升級系統(tǒng)測試實(shí)物圖Fig.5 Physical map of the upgrade system

3.1 差分編碼功能測試

差分文件的生成在升級服務(wù)器中進(jìn)行，差分文件主要為內(nèi)核文件以及HM應(yīng)用程序.表2反映了內(nèi)核和應(yīng)用程序差分文件的生成和還原新版本耗時(shí).

表2 差分文件生成與還原Table 2 Information of delta files

系統(tǒng)對不同文件進(jìn)行差分文件的生成和還原，得到新版本文件正確，證明文件差分編碼功能正確.

3.2 差分編碼性能測試

圖6為差分文件壓縮率與比較字符塊大小的變化曲線，隨著字符塊大小的增大，差分文件壓縮率越大.圖7為差分文件生成時(shí)間與字符塊大小的關(guān)系，隨著字符塊的不斷增大，計(jì)算時(shí)間無明顯變化趨勢.

圖6 差分文件壓縮率隨字符塊大小變化曲線Fig.6 Relationship between compression ratio and block size

圖7 差分文件生成時(shí)間隨字符塊大小變化曲線Fig.7 Relationship between build time and block size

3.3 系統(tǒng)異常測試

系統(tǒng)異常測試主要是指嵌入式系統(tǒng)不能正常啟動時(shí)，能自動判斷錯(cuò)誤并從出廠內(nèi)核文件區(qū)啟動.由于HM第一版本系統(tǒng)硬件沒有引入看門狗電路，因此重啟時(shí)采用手動重啟方式.測試方法如下:破壞更新文件映像區(qū)，然后設(shè)置boot環(huán)境變量flag1為value2，從更新內(nèi)核文件區(qū)啟動，測試結(jié)果如圖8所示，啟動boot時(shí)更新文件CRC校驗(yàn)出錯(cuò).

圖8 初次啟動結(jié)果Fig.8 Result of first boot

手動重啟后系統(tǒng)判斷flag1和flag2環(huán)境變量分別為value1和value2，判斷內(nèi)核文件啟動失敗，選擇出廠內(nèi)核文件區(qū)啟動，完成異常條件下的成功啟動，重啟結(jié)果如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)重啟結(jié)果Fig.9 Result of restart

4 結(jié) 束 語

HINOC系統(tǒng)升級程序的設(shè)計(jì)考慮了文件差分編碼、文件信息加密、身份認(rèn)證、異常保護(hù)等問題，應(yīng)用范圍廣泛，可以適應(yīng)多種嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境.該升級系統(tǒng)相比普通升級系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)差分編碼壓縮傳輸文件大小，節(jié)省傳輸時(shí)間，保障信息安全;

2)文件的校驗(yàn)和身份認(rèn)證共同通過MD5碼進(jìn)行完成，相比其他升級系統(tǒng)，減少了信息交換時(shí)間，提高通信效率;

3)異常保護(hù)機(jī)制保障了系統(tǒng)異常情況下設(shè)備的基本功能，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)省了入戶維修的人力和經(jīng)濟(jì)成本.

由于HM硬件尚未引入看門狗電路，因此異常保護(hù)機(jī)制的自動重啟功能仍需要進(jìn)一步測試.同時(shí)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下驗(yàn)證的基本功能，仍需要在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行升級測試，才能進(jìn)一步檢驗(yàn)升級機(jī)制設(shè)計(jì)的完備性和健壯性.

References)

［1］GY/T 265—2012 NGB寬帶接主系統(tǒng) HINOC傳輸和媒質(zhì)接入控制技術(shù)規(guī)范［S］GY/T 265—2012 NGB broadband access system-technical specification of HINOC physical layer and media access control protocol［S］(in Chinese)

［2］歐陽鋒，崔競飛，趙玉萍，等.HINOC同軸電纜接入系統(tǒng)技術(shù)方案［J］.廣播與電視技術(shù)，2011，38(10):34-38 Ouyang Feng，Cui Jingfei，Zhao Yuping，et al.Technology of high performance network over coax［J］.Radio ＆ TV Broadcast Engineering，2011，38(10):34-38(in Chinese)

［3］ Cui W W，Duan X H，Yuan W，et al.Design and implementation of HINOC network management system based on SNMP［C］//Signal Processing，Communication and Computing(ICSPCC).Washington，D C:IEEE Computer Society，2012:527-532

［4］陳璐，鐘聲.網(wǎng)絡(luò)文件傳輸方法和系統(tǒng):中國，102420822［P］.2012-04-28 Chen Lu，Zhong Sheng.Transfer method and system of network file:China，102420822［P］.2012-04-28(in Chinese)

［5］ David A.Security enhanced firmware update procedures in embedded systems［D］.Link?ping:Link?ping University，2008

［6］ Andrew C.Secure firmware update:US，2006143600［P］.2006-07-06

［7］ Ryozo K，Mariko K，Satoshi M，et al.A delta representation scheme for updating between versions of mobile phone software［J］.Electronics and Communications in Japan，2007，90(7):26-37

［8］王廣輝.嵌入式固件遠(yuǎn)程升級技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011 Wang Guanghui.Design and implementation of remote upgrades based on embedded device［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2011(in Chinese)

［9］張紹蘭.幾類密碼Hash函數(shù)的設(shè)計(jì)與安全性分析［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2011 Zhang Shaolan.Design and security analysis on several cryptography hash functions［D］.Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications，2011(in Chinese)

［10］梁杰.MD5-Hash函數(shù)的安全性分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007 Liang Jie.Security analysis of Hash function MD5［D］.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2007(in Chinese)

［11］ Putri Ratna A A，Dewi Purnamasari P，Shaugi A，et al.Analysis and comparison of MD5 and SHA-1 algorithm implementation in simple-O authentication based security system［C］//2013 International Conference on Quality in Research，QiR 2013-In Conjunction with ICCS 2013:The 2nd International Conference on Civic Space.Washington，D C:IEEE Computer Society，2013:99-104

［12］ J?rvinen K，Tommiska M，Skytt? J.Hardware implementation analysis of the MD5 hash algorithm［C］//Proceedings of the Annual Hawaii International Conference on System Sciences.Washington，D C:IEEE Computer Society，2005:298

［13］ Ramesh A，Suruliandi A.Performance analysis of encryption algorithms for information security［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Circuit，Power and Computing Technologies，ICCPCT 2013.Washington，D C:IEEE Computer Society，2013:840-844

［14］ Stallings W，Brown L.Computer security principles and practice［M］.2nd ed.Upper Saddle River，New Jersey:Prentice Hall，2011:71-101

［15］ Wu X H，Zhou Y P.Analysis of data encryption algorithm based on WEB［C］//ICCET 2010-2010 International Conference on Computer Engineering and Technology，Proceedings.Piscataway，NJ:IEEE Computer Society，2010，7:673-677