CN109889589A - 一种基于区块链实现嵌入式硬件ota升级***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***及方法，该方法：构建一个包括多个固件下载的服务节点的P2P网络拓扑结构；以一个服务节点作为第一区块节点，通过区块链共识验证机制逐个将P2P网络中的其他服务节点转化为区块链上的一个区块节点；在服务节点上存储最新固件软件，并利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息；智能终端从P2P网络的服务节点下载相应的hash值，根据该hash值进行固件版本安全校验，并下载、保存通过校验的固件软件，并利用该固件软件进行升级。本发明使用区块链技术建立安全可信的P2P网络拓扑结构，提高智能终端OTA升级可靠性及安全性。

Description

一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***及方法

技术领域

本发明涉及智能终端远程升级技术领域，具体涉及一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***及方法。

背景技术

随着当前物联网智能终端的快速发展，市场上出现了各种类型的智能终端，如智能家电、智能家居、智能音箱等等，且大部分的智能终端都支持无线(WiFi)功能，以方便这些设备联网。由于后期产品功能的升级或***安全问题的修复等原因，因此，智能终端软件需要在联网状态下远程升级(OTA：Over-the-Air)其固件，以方便用户以及降低智能终端生产厂商的运营维护成本；目前有以下几种常用技术方案：

(1)智能终端生产厂商提供一个固定的网络服务地址，直接上传更新固件，并不定期向已联网的智能终端推送OTA升级消息；智能终端在收到该消息后对比版本号后自动启动固件升级程序；

(2)用户可通过智能终端生产厂商提供的固定的网络服务地址搜索到需升级的最新固件软件，并将其下载至本地，再通过智能终端本身的外置接口(如USB或串口等)触发其内置的固件升级程序；

(3)用户通过与智能终端配套的移动端应用APP，直接连接固件后台服务器，发现并下载或推送相应的智能终端固件，再使用无线或本地下载，然后以导入的方式推送需升级的固件，完成OTA升级。

虽然现有的技术能让用户远程升级其智能终端固件，但却存在以下缺点：一旦生产厂商决定不再维护该智能终端固件或生产厂商破产倒闭，用户不仅可能失去将其智能终端固件升级至最新版本的最后机会，使未升级的联网智能终端面临着各种功能性或安全性的潜在风险，更重要的是，一些恶意的第三方公司或个人，很容易通过建立其仿制的OTA固件升级服务继续为已联网的智能终端进行OTA升级，如果智能终端OTA固件升级程序缺乏一定的安全验证机制，可能使得设备在自动升级第三方固件后出现被恶意控制并造成个人隐私泄露等重大安全问题。

有鉴于此，急需对现有的智能终端OTA升级方案进行改进，提高智能终端OTA升级的可靠性和安全性，防止OTA固件被第三方恶意篡改。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的智能终端OTA升级方案，容易被第三方恶意篡改，且无法保证OTA固件长期续存，可靠性和安全性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级方法，包括以下步骤：

步骤S10、构建一个包括多个固件下载的服务节点的去中心化的P2P网络拓扑结构，每个服务节点用于智能终端硬件OTA升级服务；

步骤S20、以一个服务节点作为第一区块节点，通过区块链共识验证机制逐个将P2P网络拓扑结构中的其他服务节点转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S30、在服务节点上存储最新固件软件，并利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，构建固件版本安全校验机制；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息；

步骤S40、智能终端从P2P网络拓扑结构的服务节点下载相应的hash值，根据该hash值进行固件版本安全校验，并下载、保存通过校验的固件软件，并利用该固件软件进行升级。

在上述方法中，当固件软件在第一次上传至固件下载的服务节点时，将固件软件拆分成多个部分，分别存储在多固件下载服务节点上，并生成相应的索引文件；

智能终端连接一个服务节点，下载部分固件软件；根据下载的部分固件软件的组份标识，从P2P网络拓扑结构中依次查找存有其他部分固件软件的服务节点，并依次下载所有固件软件的组份；根据索引文件拼装成完整固件软件。

在上述方法中，节点内容包括：存储固件软件的服务节点的节点ID、设备类型、设备型号；该服务节点上存储的固件软件的固件版本号、固件大小byte值、固件本地下载地址hash值、固件存储时间戳；该服务节点下载固件软件的上一服务节点的hash值；

如果没有上一个服务节点的hash值，此部分取值为0。

在上述方法中，智能终端保存通过校验的固件软件后，利用哈希算法生成固件本地下载地址hash值；

再利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点，成为P2P网络拓扑结构中一个固件下载的服务节点。

在上述方法中，步骤S40具体包括以下步骤：

步骤S41、用户打开智能终端，并在联网后，按照相应的P2P协议宣告及发现P2P网络拓扑结构中的服务节点；

步骤S42、智能终端与发现的任意一个服务节点建立连接，并从该服务节点上下载该服务节点的hash值，解析该hash值得到相应的节点内容；

步骤S43、根据节点内容中的固件本地下载地址获取服务节点上存储的固件软件的特征信息；

步骤S44、判断获取的固件软件的特征信息与解析得到的节点内容是否一致，如果一致，执行步骤S45；否则，执行步骤S48；

步骤S45、下载、并保存固件软件，并利用哈希算法生成智能终端的固件本地下载地址hash值；

步骤S46、利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S47、利用下载的固件软件进行智能终端升级，然后执行步骤S49；

步骤S48、根据P2P协议和区块链共识验证机制将该服务节点移出P2P网络和区块链；

步骤S49、结束本次升级。

在上述方法中，在对节点内容进行hash值的计算前，使用公私钥对对全部节点内容或者仅对约定的部分节点内容进行加密。

在上述方法中，哈希算法包括AES、SHA、RSA、ECC。

在上述方法中，区块链共识验证机制包括工作量证明、权益证明、权益授权证明。

本发明还提供了一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***，包括多个用于为智能终端硬件OTA升级提供固件下载服务的服务节点，多个所述服务节点之间构成一个去中心化的P2P网络拓扑结构；

所述P2P网络拓扑结构中每个服务节点设有共识验证算法模块和安全加密验证算法及下载发布模块；

所述共识验证算法模块通过P2P网络拓扑结构的区块链共识验证机制，认证加入P2P网络的服务节点为区块链的一个区块节点；

所述安全加密验证算法及下载发布模块利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，并对hash值进行发布；在该服务节点上存储的固件软件被其他智能终端下载时，利用hash值对当前固件软件进行固件版本安全校验，并将校验结果发给该智能终端；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息。

与现有技术相比，本发明使用区块链技术建立安全可信的固件下载服务节点的P2P网络拓扑结构，并通过一定的区块链共识验证机制添加更多的分布式可信固件下载服务节点，从而本发明具有以下优点：

(1)整个智能终端硬件OTA升级流程无需依赖某特定中心服务器，即使P2P网络拓扑结构中有固件下载服务节点故障、不在线或者其上的固件软件被篡改，仍不影响智能终端OTA升级，只要存在相应的智能终端固件OTA升级的固件下载服务节点，区块链就可以实现永久稳定安全的升级机制，提高智能终端OTA升级可靠性；

(2)所有固件下载服务节点采用区块链的安全验证机制(区块链共识验证及固件软件安全验证机制)存储固件软件，具有不可篡改，防止恶意的固件升级程序导致设备安全漏洞，提高智能终端OTA升级的安全性

(3)方案要求较低，因此每个长期联网的智能终端都有可能成为智能硬件固件OTA升级服务区块链上的一个区块节点，提高固件OTA升级服务的可执行性和实现性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***的结构框图；

图2为本发明中固件下载的服务节点的结构框图；

图3为本发明提供的一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级方法的流程图；

图4为本发明中步骤S40的具体流程图；

图5为智能终端采用本发明进行固件OTA升级的流程图。

具体实施方式

区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并使用密码学。方法关联数据区块的分布式数据；区块链技术利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式，具有不可篡改性、去中心化性、匿名性、可追溯性等特征，目前已被广泛应用于金融行业，并在众多领域都表现出广阔的应用前景

本发明提供了一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级方法，利用区块链技术先建立一个去中心化的P2P(Peer-to-peer，点对点或对等)网络拓扑结构，再通过一定的区块链共识机制识别后将各个P2P节点逐个转化成相应的固件OTA升级服务区块节点，再利用哈希(Hash)算法，例如AES-128(Advanced Encryption Standard 128)、SHA-256(SecureHash Algorithm 256)等形成固件版本安全认证校验机制；需要做固件OTA升级的智能终端，只需与区块链的区块节点建立连接，再通过安全校验以及版本确认即可进行固件OTA升级操作。整个固件OTA升级过程并不依赖于某个中心服务器，即使P2P固件下载服务节点中有多个故障或下线节点，只要有正常的在线区块节点，就不会影响智能终端进行升级，不仅使OTA升级机制更可靠，而且由于基于区块链技术，具有不可篡改特性，安全性更好。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***，包括多个用于为智能终端硬件OTA升级提供固件下载服务的服务节点10，多个固件下载的服务节点10之间构成一个去中心化的P2P网络拓扑结构；

P2P网络拓扑结构中每个固件下载的服务节点10设有共识验证算法模块11和安全加密验证算法及下载发布模块12；

共识验证算法模块11通过P2P网络拓扑结构的区块链共识验证机制认证加入P2P网络的服务节点为区块链的一个区块节点，使P2P网络拓扑结构所有服务节点构成一个区块链；

安全加密验证算法及下载发布模块12利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，并对hash值进行发布；在该服务节点10上存储的固件软件被其他智能终端下载时，利用hash值对当前固件软件进行固件版本安全校验，并将校验结果发给该智能终端；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息。

可见，如图2所示，如果要保证本发明能够实现，每个固件下载的服务节点至少需要包括：

主控模块(CPU或MCU)13，该模块是基于区块链技术的服务节点的核心处理模块，可处理该节点上所有的***运算、数据存储及网络服务功能；

内存14，支持该节点上全部运算、数据存储读写、网络连接及数据交互等基础处理功能；

存储模块15，主要用于记录保存相关智能终端的固件软件及相应的区块链分布式存储服务节点的hash值；同时支持外部可插拔设备上文件的访问，可以是USB设备，读卡器设备等；

网络服务模块16(包括HTTP、TCP、UDP、FTP等)，是建立P2P网络的基础结构，主要对为部设备或服务节点提供可连接的网络地址及服务端口，并根据相应协议提供网络服务、设备识别、发布、连接及数据下载和交互等功能；

共识验证算法模块11，该模块支持使用区块链技术创建和确认新的固件下载服务节点，在服务节点加入P2P网络时，通过一定的共识算法机制(consensus)对加入的服务节点进行认证。在区块链技术中，常用的共识机制包括工作量证明(POW Proof of Work)、权益证明(POS Proof of Stake)、权益授权证明(DPOS Delegated Proof of Stake)等等；

安全加密验证算法及下载发布模块12，支持密钥生成算法及一定的Hash加密算法机制；利用哈希算法(可以使用多种常用的对称或非对称加密算法，例如AES、SHA、RSA、ECC等等)对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，并对hash值进行发布；在该服务节点上存储的固件软件被其他智能终端下载时，利用hash值对当前固件软件进行固件版本安全校验，并将校验结果发给该智能终端，使该***具有一定固件安全防篡改机制(例如至少需比较固件版本信息、固件大小、上一个可信区块的信息比较等方法)，即使用相应的哈希算法对hash值进行解密，如果解密的到的节点内容与当前存储的固件软件特征信息和服务节点特征信息一致，证明该固件软件没有被篡改，智能终端下载固件软件，否则，该服务节点移出P2P网络和区块链；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息，具体包括：存储固件软件的服务节点的节点ID、设备类型、设备型号；该服务节点上存储的固件软件的固件版本号、固件大小byte值、固件本地下载地址hash值、固件存储时间戳timestamp；该服务节点下载固件软件的上一服务节点的hash值，这里使用固件下载地址hash值是不希望用明文直接获取固件软件的互联网下载地址；如果没有上一个服务节点的hash值，此部分取值为0。

如图3所示，本发明提供的一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级方法，包括以下步骤：

步骤S10、构建一个包括多个固件下载的服务节点的去中心化的P2P网络拓扑结构，每个服务节点用于智能终端硬件OTA升级服务；

步骤S20、以一个服务节点作为第一区块节点，通过区块链共识验证机制逐个将P2P网络拓扑结构中的其他服务节点转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S30、在服务节点上存储最新固件软件，并利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，构建固件版本安全校验机制；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息；

步骤S40、智能终端从P2P网络拓扑结构的服务节点下载相应的hash值，根据该hash值进行固件版本安全校验，并下载、保存通过校验的固件软件，并利用该固件软件进行升级。

本发明使用区块链技术建立安全可信的固件下载服务节点的P2P网络拓扑结构，并通过一定的共识机制确定更多的分布式可信服务节点加入，以保障P2P网络拓扑结构的鲁棒性；同时，通过固件下载的服务节点本身的安全加密验证机制来维护固件软件的安全可信防篡改特性。

在本发明中，如智能终端本身具有如图2所示的所有能力，当智能终端保存通过校验的固件软件后，利用哈希算法生成固件本地下载地址hash值；再利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个可信任区块节点，成为P2P网络拓扑结构中一个固件下载的服务节点，为其他智能终端提供固件OTA升级服务。

在本发明中，为提升网络传输效率，相关固件软件在第一次上传至固件下载服务节点时，将固件软件拆分成多个部分，分别存储在多固件下载服务节点上，并生成相应的索引(Index)文件；

智能终端连接一个服务节点，下载部分固件软件；根据下载的部分固件软件的组份标识，从P2P网络拓扑结构中依次查找存有其他部分固件软件的服务节点(在下载各个部分时，分别对每部分进行固件版本安全校验)，并依次下载所有固件软件的组份；根据索引文件拼装成完整固件软件。如果该智能终端具有如图2所示的所有能力，则在拼装完成、并保存后，利用哈希算法对节点内容进行计算，得到hash值，通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点，成为P2P网络拓扑结构中一个固件下载的服务节点。

如图4所示，步骤S40具体包括以下步骤：

步骤S41、用户打开智能终端，并在联网后，按照相应的P2P协议宣告及发现P2P网络拓扑结构中的服务节点；

步骤S42、智能终端与发现的任意一个服务节点建立连接，并从该服务节点上下载该服务节点的hash值，解析该hash值得到相应的节点内容；

步骤S43、根据节点内容中的固件本地下载地址获取服务节点上存储的固件软件的特征信息；

步骤S44、判断获取的固件软件的特征信息与解析得到的节点内容是否一致，如果一致，执行步骤S45；否则，执行步骤S48；

步骤S45、下载、并保存固件软件，并利用哈希算法生成智能终端的固件本地下载地址hash值；

步骤S46、利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S47、利用下载的固件软件进行智能终端升级，然后执行步骤S49；

步骤S48、根据P2P协议和区块链共识验证机制将该服务节点移出P2P网络和区块链；

步骤S49、结束本次升级。

在本发明中，在对节点内容进行hash值的计算前，可先对节点内容使用公私钥对的方法进行全部加密或仅对约定的部分节点内容进行加密，以提升固件的防篡改性。

如图5所示，采用本发明时智能终端的固件OTA升级流程如下：

001：用户打开智能终端，智能终端在已完成配网的状态下自动联网；

002：智能终端联网后，按照相应的P2P协议宣告及发现P2P网络中其他的固件下载服务节点；

003：智能终端发现任意一个固件下载服务节点后，与该固件下载服务节点建立连接(可基于TCP、UDP、HTTP、FTP等协议)；

004：从固件下载服务节点下载该固件下载服务节点的hash值，解析节点内容获取固件软件下载地址以及相应的固件软件的特征信息(存储该固件软件的固件下载服务节点ID以及其设备类型、设备型号、固件版本号、固件大小byte值、时间戳time stamp等)，然后根据固件软件下载地址下载固件软件，并与解析的固件软件特征信息进行比对，如果一致，表示下载的固件软件为被篡改，智能终端保存该固件软件，并调用哈希算法生成智能终端的节点内容，再利用区块链共识验证算法进行加入P2P网络拓扑结构的认证，加入相应的区块链成为可信区块节点；如果不一致，根据P2P协议和区块链共识验证机制将该固件下载服务节点移出P2P网络和区块链；

005：存储固件软件至升级空间，开始一般性升级流程，先解析固件软件相关信息内容；

006：启动比较新固件软件安全验证流程以确保新固件安全可靠未被篡改；(主要进行如下检查：检查固件设备类型、设备型号、固件版本号，固件大小等与实际下载的固件是都一致)；

007：如果接收到的固件软件是部分软件，直接从P2P网络中依次查找存有其他部分固件软件的固件下载服务节点，并需回到步骤003，与每个固件下载服务节点连接下载各个部分固件软件，在获取全部文件后再根据索引文件进行拼装并确认通过最终固件版本安全验证；

008：启动设备固件升级程序；

009：升级完成成功后则重启设备；如失败则需回滚至原版本。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、构建一个包括多个固件下载的服务节点的去中心化的P2P网络拓扑结构，每个服务节点用于智能终端硬件OTA升级服务；

步骤S20、以一个服务节点作为第一区块节点，通过区块链共识验证机制逐个将P2P网络拓扑结构中的其他服务节点转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S30、在服务节点上存储最新固件软件，并利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，构建固件版本安全校验机制；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息；

步骤S40、智能终端从P2P网络拓扑结构的服务节点下载相应的hash值，根据该hash值进行固件版本安全校验，并下载、保存通过校验的固件软件，并利用该固件软件进行升级。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当固件软件在第一次上传至固件下载的服务节点时，将固件软件拆分成多个部分，分别存储在多固件下载服务节点上，并生成相应的索引文件；

智能终端连接一个服务节点，下载部分固件软件；根据下载的部分固件软件的组份标识，从P2P网络拓扑结构中依次查找存有其他部分固件软件的服务节点，并依次下载所有固件软件的组份；根据索引文件拼装成完整固件软件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，节点内容包括：存储固件软件的服务节点的节点ID、设备类型、设备型号；该服务节点上存储的固件软件的固件版本号、固件大小byte值、固件本地下载地址hash值、固件存储时间戳；该服务节点下载固件软件的上一服务节点的hash值；

如果没有上一个服务节点的hash值，此部分取值为0。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，智能终端保存通过校验的固件软件后，利用哈希算法生成固件本地下载地址hash值；

再利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点，成为P2P网络拓扑结构中一个固件下载的服务节点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S40具体包括以下步骤：

步骤S41、用户打开智能终端，并在联网后，按照相应的P2P协议宣告及发现P2P网络拓扑结构中的服务节点；

步骤S42、智能终端与发现的任意一个服务节点建立连接，并从该服务节点上下载该服务节点的hash值，解析该hash值得到相应的节点内容；

步骤S43、根据节点内容中的固件本地下载地址获取服务节点上存储的固件软件的特征信息；

步骤S44、判断获取的固件软件的特征信息与解析得到的节点内容是否一致，如果一致，执行步骤S45；否则，执行步骤S48；

步骤S45、下载、并保存固件软件，并利用哈希算法生成智能终端的固件本地下载地址hash值；

步骤S46、利用哈希算法对该智能终端的节点内容进行计算，得到该智能终端的hash值，并通过区块链共识验证机制将该智能终端转化为区块链上的一个区块节点；

步骤S47、利用下载的固件软件进行智能终端升级，然后执行步骤S49；

步骤S48、根据P2P协议和区块链共识验证机制将该服务节点移出P2P网络和区块链；

步骤S49、结束本次升级。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对节点内容进行hash值的计算前，使用公私钥对对全部节点内容或者仅对约定的部分节点内容进行加密。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，哈希算法包括AES、SHA、RSA、ECC。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，区块链共识验证机制包括工作量证明、权益证明、权益授权证明。

9.一种基于区块链实现嵌入式硬件OTA升级***，其特征在于，包括多个用于为智能终端硬件OTA升级提供固件下载服务的服务节点，多个所述服务节点之间构成一个去中心化的P2P网络拓扑结构；

所述P2P网络拓扑结构中每个服务节点设有共识验证算法模块和安全加密验证算法及下载发布模块；

所述共识验证算法模块通过P2P网络拓扑结构的区块链共识验证机制，认证加入P2P网络的服务节点为区块链的一个区块节点；

所述安全加密验证算法及下载发布模块利用哈希算法对节点内容进行计算得到该服务节点的hash值，并对hash值进行发布；在该服务节点上存储的固件软件被其他智能终端下载时，利用hash值对当前固件软件进行固件版本安全校验，并将校验结果发给该智能终端；其中，节点内容包括服务节点和其上存储的固件软件的特征信息。