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）