弄懂 Init Packet

Nordic Secure DFU拥有签名（Signature）机制，制作升级包时会生成Init Packet，它记录了待升级文件的元信息（Meta）及其数字签名。

在执行Secure DFU过程中，主机程序先发送Init Packet，签名验证通过后再发送Firmware Image，以保证固件的合法性。

1. 基本信息

使用pc-nrfutil生成升级压缩包的命令为：

nrfutil pkg generate --application app.hex --application-version 0x01 --hw-version 52 --sd-req 0xB6 --key-file private_key.pem dfu_pkg.zip

解压dfu_pkg.zip，可以看到三个文件：

• app.bin
• app.dat
• manifest.json

manifest.json是清单文件，记录了dfu_pkg.zip中包含哪些文件。 app.bin是app.hex去掉地址信息后的二进制文件。 app.dat就是Init Packet的二进制形态。

从infocenter上得知，Init Packet中包含以下内容：

• Image type & size & hash (APP, BTL, SD or combination)
• Version of FW/HW
• sd_req
• Signature type & bytes

通过pc-nrfutil命令可以查看这些信息内容：

nrfutil pkg display dfu_pkg.zip

内容截取如下：

$ nrfutil pkg display dfu_pkg.zip

DFU Package: <dfu_pkg.zip>:
|
|- Image count: 1
|
|- Image #0:
   |- Type: application
   |- Image file: app.bin
   |- Init packet file: app.dat
      |
      |- op_code: INIT
      |- signature_type: ECDSA_P256_SHA256
      |- signature (little-endian): 1e6011c9f3787641d920bd0d9f7c41b42f9c05fd9673552c626921f99512f616169533bd9d9c0d4d00a4ba626890d7ab4efbf1d8962afe7bafb96c89dd186fc5
      |
      |- fw_version: 0x00000001 (1)
      |- hw_version 0x00000034 (52)
      |- sd_req: 0xB6
      |- type: APPLICATION
      |- sd_size: 0
      |- bl_size: 0
      |- app_size: 60548
      |
      |- hash_type: SHA256
      |- hash (little-endian): 2a23069c597cd72a15c2a0a24a1a09bbdbbbcab7fa1b68de119a871436d84cc2
      |
      |- boot_validation_type: ['VALIDATE_GENERATED_CRC']
      |- boot_validation_signature (little-endian): ['']
      |
      |- is_debug: False

其中，Hash是对app.bin文件执行的hash结果。

下载openssl命令行工具，在cmd中执行openssl dgst -sha256 app.bin，可获得app.bin文件的hash值。注意，openssl工具获得的hash是big-endian，而nrfutil显示的hash是little-endia，二者数据顺序相反，数据内容相同。

Signature不是根据app.bin文件生成的签名！对于相同的app.hex，每次执行命令生成的签名都不相同。

wikimedia.org的这张图描绘了数字签名校验过程：

数字签名验证过程需要两个步骤：

1. 使用原始数据文件的Hash值和私钥，生成数字签名。
2. 对方收到数据明文后，计算Hash值（hash-1）。根据数字签名和公钥生成Hash值（hash-2）。比较二者，如果相等则签名验证通过。

Init Packet将固件镜像的元信息和Hash值放在一起形成结构体，取名为Init Command，再将Init Command序列化（Serialize）成二进制数据，Signature是根据Init Command的二进制数据内容生成的数字签名。

（我希望能够通过openssl模拟生成Signature，然后再对Hash进行验证，但是一直未能操作成功。）

2. 二进制文件

将结构化的数据序列化，Nordic Secure DFU选择了Protocol Buffer的嵌入式方案nano-pb。在许多场景下，Protocol Buffer简写为ProtoBuf或pb。

Protocol Buffer解决了不同平台序列化数据的互通性。比如pc-nrfutil是一个Python工具，它所生成的Init Packet要能够被C语言程序读取，那么二者应遵守相同的约定，包括数据类型定义、数据存储形式、复杂数据描述等。

Protocol Buffer定义了这样一套约定，以*.proto文件保存。不同平台的程序只要使用相同的Protocol Buffer文件，它们之间的序列化数据即可被正确解析。

Init Packet使用了dfu-cc.proto作为格式规范，pc-nrfutil的文件路径为：https://github.com/NordicSemiconductor/pc-nrfutil/blob/master/nordicsemi/dfu/dfu-cc.proto ，Bootloader所使用的dfu-cc.proto路径为：<sdk>\components\libraries\bootloader\dfu\dfu-cc.proto，它们的内容基本一致。

打开dfu-cc.proto文件，定位到文件底部：

// Parent packet type
message Packet {
    optional Command        command         = 1;
    optional SignedCommand  signed_command  = 2;
}

它就是Init Packet的数据原型。

message Packet相当于C语言中的结构体，optional关键字表示该项可以不存在，数字1和2表示该成员在结构体中的位置序号，称为field_num。

Command和SignedCommand本身也是message，所以它们是嵌套结构体。在文件中，也可以找到它们的结构体定义。

在文件中找到Init Command：

// Commands data
message InitCommand {
    optional uint32             fw_version      = 1;
    optional uint32             hw_version      = 2;
    repeated uint32             sd_req          = 3 [packed = true];
    optional FwType             type            = 4;

    optional uint32             sd_size         = 5;
    optional uint32             bl_size         = 6;
    optional uint32             app_size        = 7;

    optional Hash               hash            = 8;

    optional bool               is_debug        = 9 [default = false];
    repeated BootValidation     boot_validation = 10;
}

它就是上面提到的生成Signature用的Init Command。它也是Init Packet的核心内容。

现在我们知道了Init Packet其实就是dfu-cc.proto文件中的变量所包含的信息。

那么它是如何变成app.dat的呢？

Protocol Buffer定义message的构成形式为：<field_num><wire_type>[length]<data_content>

• field_num是结构体成员序号
• wire_type是个枚举值，它仅有几种选项，在下面给出
• length为可选值，如果数据长度不可预先确定，则它存在，否则不存在
• data_content为数据内容，它使用”Base 128 Varints”数据表示法

根据Protocol Buffer官方文档，可选的wire_type为：

Type	Meaning	Used for
0	Varint	int32, int64, uint32, uint64, sint32, sint64, bool, enum
1	64-bit	fixed64, sfixed64, double
2	Length-delimited	string, bytes, embedded messages, packed repeated fields
3	Start group	groups (deprecated)
4	End group	groups (deprecated)
5	32-bit	fixed32, sfixed32, float

wire_type仅有6种，可以用3个比特表示。规范中，<field_num>占5 bit，<wire_type>占3 bit，二者共同占用1字节。

Base 128 Varints实现了数据自身携带数据长度信息，如果一个字节的首位比特（msb）为1，表示还有后续字节，如果msb=0，表示这是最后一个字节。比如 0xCC33: 1100 1100 0011 0011，由于第一字节的msb=1，第二字节msb=0，说明它是个双字节数。

计算数据实际值的算法为：（1）去掉各字节的msb，（2）逆序全部字节，（3）合并。那么0xCC33的实际值为：

1. 去msb：100 1100 011 0011
2. 逆序：011 0011 100 1100
3. 合并：0001 1001 1100 1100 = 0x19CC

更详细的规则请阅读官方文档：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/encoding

下面开始分析app.dat的文件内容。

使用十六进制工具打开app.dat。我将其十六进制内容复制到Excel表中方便查看，如下：

[1A] 12 指示signed_command，field_num=2，wire_type=2。

[1B – 1C] 8A 01指示Length=138。138正好是D1-E18之间的数据总数。 由于signed_command本身是个message，后面的数据是它的内容。

[3H] 38 指示app_size。

[4A – 4C] 84 D9 03 指示app_size=60548，根据“Base 128 Varints”算法可以获得该结果。

图中绿色表示数组型数据，蓝色表示长度，橙色表示<field_num>+<wire_type>。

第一个绿色色块[5B – 9A] 指示Hash值，第二个绿色色块[10F – 18E] 指示签名。

使用Protocol Buffer编译器protoc.exe可以将dfu-cc.proto编译成各种平台适用的结构体定义。

对于Nordic SDK的dfu-cc.proto，编译它可以生成dfu-cc.pb.c和dfu-cc.pb.h，后者实现了相同的结构体，但是遵守C语言的规范。 比如dfu-cc.proto文件中的message Packet{}编译后在dfu-cc.pb.h中变成如下形式：

typedef struct {
    bool has_command;
    dfu_command_t command;
    bool has_signed_command;
    dfu_signed_command_t signed_command;
/* @@protoc_insertion_point(struct:dfu_packet_t) */
} dfu_packet_t;

3. 解析过程

执行Secure DFU时候，主机先发送Init Packet，再发送固件镜像。

发送过程如下图：

主机依次执行：

• Select Request
• Create Request
• Write Request
• Get CRC Requset
• Execute Request

打开secure_bootloader工程，找到nrf_dfu_req_handler.c，会看到以下函数：

• on_cmd_obj_select_request
• on_cmd_obj_create_request
• on_cmd_obj_write_request
• on_cmd_obj_crc_request
• on_cmd_obj_execute_request

它们与上述Request对应，当主机向从机发出Request，从机程序则进入相应的函数中执行。

Init Packet的数据内容在Write Request中发送，如果使用了长包（MTU=247），那么一次即可发送完毕。

执行on_cmd_obj_execute_request时，追踪代码可以找到stored_init_cmd_decode函数，该函数使用pb_decode将二进制数据序列解析成proto文件定义的形式，并保存在mp_init结构体中。

mp_init的结构体定义在dfu-cc.pb.c/h中，它正是上面提到的利用dfu-cc.proto编译生成的C语言代码文件。

参考链接

Protocol Buffer中文介绍： http://bigdata.51cto.com/art/201805/574782.htm

Base 128 Varints中文介绍：https://www.jianshu.com/p/814a5dd86561

（完）