什麼是 OTA Update (Over The Air Updtae)?

透過無線通訊去對設備進行軟體/韌體更新

OTA 的流程

  • Notify
    • 設備會被通知有擱置的OTA更新
    • 設備可以選擇忽略更新或者接受更新以觸發下載
  • Download
    • 設備通過各種支援的協定進行更新下載
    • 更新包會下載到預先設定好的儲存區域
      • Ex. S3 Bucket
    • 更新可能是全新的韌體映像或現有韌體的補丁
  • Verify
    • 驗證更新包的有效性
  • Install
    • 設備通過更新包開始更新（通常是通過 bootloader）成最新的韌體
    • 安裝後可以執行檢查以驗證功能
    • 設備將向 OTA 更新提供者報告韌體更新成功

主要分成這四個步驟

模組化 OTA 更新

  • 模組化 OTA 由幾個小型函式庫和一個協調器(Orchestrator)組成。
  • 每個 Lib 負責特定的子任務，例如通知待處理的 OTA 更新或透過 MQTT 下載檔案
  • 編排器將所有小型程式庫與bootloader 和 Memory Pool 同步以執行 OTA 更新。

模組化 OTA 方法可讓您根據需求的變化更換或更改 OTA 的不同部分。例如：

  1. 如果您想從 AWS IoT 觸發 OTA，則可以使用 IoT Job Lib檢查新的 OTA 更新或傳送有關 OTA Jobs 狀態的通知。或者，您可以將其替換為任何其他其他的程式庫。
  2. 可以使用IoT Job Lib 中的 OTA Job Parser 來解析接收到的OTAJob Document。或者，您可以根據 OTA Job Document 使用自己自訂的 Job Document Parser。

模組化 OTA 更新流程

以下是根據 FreeRTOS 官網提供的模組化 OTA更新的流程

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協調器（Orchestrator）

  • Orchestrator 是指定如何協調 OTA 更新的核心元件
  • Orchestrator 由使用者提供，並包含所需數量的自訂元件，以完成所需的 OTA 更新方法
  • 典型的更新將包含「通知」、「下載」、「驗證」和「安裝」階段。
  • Orchestrator 將透過將元件函式庫和其他外部函式庫拼接在一起來提供這些階段
  • 每個元件函式庫的描述可以在下面找到

IoT Job Libraries

  • IoT Job Handler 會是整個 OTA Flow 當中第一個使用到的元件
  • 這個函式庫提供了啟動待處理的 IoT 作業以及更新作業狀態的功能
  • 當作業處理程序獲悉新的 OTA 更新（透過 IoT Job 進行）時，處理程序將啟動 Job 並將 Job 及其 metadata 傳遞到解析器鏈
  • 如果設定了解析器來處理該 Job ，它將向 Job Handler 轉送 Job 已成功啟動的資訊
  • 此成功啟動通知將轉發回 OTA 更新提供者（即 IoT Jobs），以將更新標記為已啟動。如果沒有解析器能夠理解該作業，則啟動 OTA 更新的失敗將轉發給提供者

OTA Job Parser

解析器將驗證 IoT 作業是否為 OTA 更新，並在呼叫下載器之前將欄位解析為可用格式

MQTT file streaming library

  • 文件下載器提供下載 OTA 檔案的功能。檔案下載器透過 CBOR 或 JSON 格式的 MQTT Stream 處理下載更新
  • 下載本身是在 Chunk 上執行的，這更容易被視為整個 OTA 更新檔案的區塊。這樣做是為了提高下載的可靠性，並允許比單一下載「區塊」中可能進行的更大的韌體更新。

Bootloader and Signature Verifier

  • bootloader 的存在是為了驗證新韌體並將其安裝到裝置上
  • 模組化 OTA 刻意避免實施 bootloader，因為已經存在適用於大量受支援微控制器的多個行業範圍的 bootloader
  • 模組化 OTA 將 bootloader和簽章驗證機制的選擇留給使用者。

AWS IoT Jobs 以及 AWS IoT OTA Update差異

  • AWS IoT Jobs
    • 定義一組可以發送到一個或多個設備並在其上運行的遠端操作
    • 最常見的是，作業用於執行軟體或韌體更新，但也可用於執行任何任意操作，例如重新啟動、憑證 Rotate等
  • AWS IoT OTA Update
    • 基於 AWS IoT Jobs 建置的功能，專門實現軟體/韌體更新操作，並且僅實現該操作
    • OTA 更新是一項 Job，但有預先定義的 Job文件。它捆綁了常見的軟體更新功能（例如程式碼簽署），可以能夠更快建立軟體更新解決方案

比較表格

AWS IoT Jobs AWS IoT OTA Updates
用途 任何自定義的行為 FreeRTOS OTA update
Job 文件 可自定義 預先定義
建立的 API CreateJob CreateOTAUpdate
程式碼簽署 需使用者自行實踐 已整合
HTTP/MQTT 需使用者自行選擇 已整合
支援AWS IoT Device SDK C, C++, Python, Java, Javascript 僅有 C
Platform Abstraction Layer (PAL) 無 有 [3]
Max 檔案限制 HTTP: 5GB (Amazon S3 limit), MQTT: 24MB (MQTT file stream limit) 16MB (OTA update limit)[4]

AWS IoT Over-The-Air (OTA) Library

https://github.com/aws/ota-for-aws-iot-embedded-sdk

這個AWS函式庫同時包含了，FreeRTOS 以及 AWS IoT Device SDK for Embedded-C

這個函式庫同時包含了OTA Platform Abstration Layer (PAL) [3] 來去簡化將函式庫遷移到特定硬體的難度 [5]。

也有 OTA Operating System (OS) Functional Interface 來去簡化移植到 FreeRTOS 以外的 RTOS 甚至是裸機的困難度。

由於 AWS IoT OTA 適用於資源受限的設備，因此在原生的Device SDK 並沒有整合 FreeRTOS。出於同樣的原因，OTA 檔案大小限制為 16MB。

參考資料

[1] https://www.freertos.org/freertos-core/over-the-air-updates/index.html
[2] https://repost.aws/articles/ARDHNhV0bnRGau0kmdhTSZZA/comparing-aws-iot-jobs-and-aws-iot-over-the-air-ota-updates
[3] https://www.freertos.org/Documentation/api-ref/ota-for-aws-iot-embedded-sdk/docs/doxygen/output/html/ota_pal_interface.html
[4] https://docs.aws.amazon.com/general/latest/gr/amazon-freertos.html#limits-ota-manager
[5] Porting Guide - https://www.freertos.org/Documentation/api-ref/ota-for-aws-iot-embedded-sdk/docs/doxygen/output/html/ota_porting.html