BLE DFU:生成升级包

从SDK 12开始,Nordic为DFU操作增加了签名校验机制,称为Secure DFU。执行Secure DFU,需要使用升级包(zip),而不能直接使用二进制文件(hex/bin),本文介绍如何生成和使用升级包。

(1)nrfutil

nrfutil是Nordic提供的命令行工具,它用于执行以下任务:

  • 生成公钥、私钥
  • 生成升级包
  • 生成bootloader_settings.hex
  • 执行BLE DFU或串口DFU

nrfutil是开源的python项目,托管在github上,可以下载预编译的nrfutil.exe,如果系统中已安装了python 2.7(不支持python 3.x),也可以通过pip命令进行安装:

pip install nrfutil

本文使用预编译的nrfutil.exe,放到C:\nordic\nrfutil中,并将该目录加入系统环境变量,方便在cmd中调用。

(2)公钥、私钥

Secure DFU采用签名(Sign)方式保证DFU的安全。直观上,它解决了一个安全问题:

对于传统的DFU,如果攻击者进入设备的Bootloader模式,那么他可以通过DFU将第三方的固件写入设备。这种非法升级的问题根源在于Bootloader无法识别新固件是否合法有效。

Secure DFU在Bootloader和升级包中分别加入签名,升级时通过校验签名保证升级包的安全和可靠。

在当前目录下生成一个唯一的私钥(private_key.pem):

nrfutil keys generate private_key.pem

可以用文本编辑器打开private_key.pem,其内容形式如下:

-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----
MHcCAQEEICS144KRk5kbsB42yuQHFutQJV3nVfh7vUtj80nokAsboAoGCCqGSM49
AwEHoUQDQgAEKlnoPDH7wA00TtqUjc+5tuoI8gov4BxZR9KUITgKAmx/v4Jvpx2t
jRI6meLVMSme4itY78N+YtuK7s0wLbNzUw==
-----END EC PRIVATE KEY-----

利用私钥,可以生成一个公钥:

nrfutil keys display 
    --key pk 
    --format code private_key.pem 
    --out_file dfu_public_key.c

执行完毕,生成的公钥保存在dfu_public_key.c文件中,其文件内容形式如下:

/* This file was automatically generated by nrfutil on 2018-04-14 (YY-MM-DD) at 08:29:52 */

#include "stdint.h"
#include "compiler_abstraction.h"

/** @brief Public key used to verify DFU images */
__ALIGN(4) const uint8_t pk[64] =
{
    0x6c, 0x02, 0x0a, 0x38, 0x21, 0x94, 0xd2, 0x47, 0x59, 0x1c, 0xe0, 0x2f, 0x0a, 0xf2, 0x08, 0xea, 0xb6, 0xb9, 0xcf, 0x8d, 0x94, 0xda, 0x4e, 0x34, 0x0d, 0xc0, 0xfb, 0x31, 0x3c, 0xe8, 0x59, 0x2a, 
    0x53, 0x73, 0xb3, 0x2d, 0x30, 0xcd, 0xee, 0x8a, 0xdb, 0x62, 0x7e, 0xc3, 0xef, 0x58, 0x2b, 0xe2, 0x9e, 0x29, 0x31, 0xd5, 0xe2, 0x99, 0x3a, 0x12, 0x8d, 0xad, 0x1d, 0xa7, 0x6f, 0x82, 0xbf, 0x7f
};

Bootloader工程中会使用公钥dfu_public_key.c,这样Bootloader就可以利用公钥验证签名。

(3)升级包

升级包其实就是一个zip压缩包,一个典型的升级包内容如下:

各个文件的含义:

文件 含义
manifest.json 文件清单
nrf52832_xxaa.bin 新固件
nrf52832_xxaa.dat init packet

其中init packet包含了meta信息:新固件的类型、大小、版本和签名信息。这里的签名将在执行DFU被校验。

init packet是一个Protocol Buffer文件,它的内容很简单,但是不可读,可以通过命令nrfutil pkg display dfu_pkg.zip看到它的内容:

我们无需手动创建init packet,使用nrfutil生成升级包时,会自动完成这些工作。

生成升级包至少需要以下文件和信息:

  • 新固件文件
  • 私钥文件
  • 芯片型号
  • 支持的softdevice版本号
  • 应用程序版本号

假设新固件为app.hex,私钥文件为private_key.pem,芯片型号为nRF52,softdevice版本号为S132_nrf52_5.1.0,新固件版本号为0x02,最终生成的升级包文件为dfu_pkg.zip,那么对应的命令为:

nrfutil pkg generate 
    --application app.hex 
    --hw-version 52 
    --sd-req 0x5A 
    --application-version 0x02 
    --key-file private_key.pem 
    dfu_pkg.zip

命令中各参数含义很直观,值得一提的是--sd-req这个参数,它表示固件运行所需的softdevice版本,0x5A表示softdevice S132_nrf52_5.1.0。

获得sd-req的数值至少有以下几种途径:

  1. 通过命令nrfutil pkg generate --help查看
  2. 在线文档论坛帖子中查看
  3. 烧录一个BLE程序,在nrfgo Studio中查看
  4. 使用JFlash.exe打开softdevice.hex,找到地址0x300C的值(原理
  5. 利用Hex2Bin转换工具(开源版Keil版)将softdevice.hex转换成bin文件,然后利用任意十六进制查看器,查看地址0x300C的值
  6. 询问本文作者

如果在命令行中加入--debug-mode参数,就可以在DFU的校验阶段,忽略sd-req信息。

(4)执行DFU

现在有了升级包,可以利用nrfutil执行DFU,从而省去将升级包复制到手机,再利用APP做DFU的复杂流程。

假设DFU的目标设备是一个nRF52832开发板,先对其下载softdevice和bootloader,这时能够看到Bootloader正在广播,我这里BLE设备名称为DfuTest。

准备一个nRF51开发板(PCA10028)作为DFU的操作主机,芯片中不用预先下载任何程序,连上电脑后记录它的串口号COMx。

执行命令:

nrfutil dfu ble 
    -pkg dfu_pkg.zip 
    -ic NRF51 
    -p COM6 
    -n DfuTest 
    -f

最后的参数-f将自动给主机设备下载必要的固件程序。

这样就可以利用COM6对应的nRF51设备,向DfuTest设备做DFU升级,升级文件为dfu_pkg.zip,升级过程能看到一个进度条:

 

(完)

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