Over-The-Air Updates für den ESP8266

In diesem Blogeintrag möchten wir gerne ein Überblick über den momentanen Stand der Update Funktion unserer Mikrocontroller geben. Die technischen Details gibt es in weiteren Beiträgen, hier gibt es erst einmal eine Architektur Übersicht und ein bisschen Background um Gründe, und Herangehensweise zu verstehen.

Für unser Projekt brauchen wir verschiedene Sensoren, welche an einen ESP8266 angeschlossen werden. Die gemessenen Daten werden hierbei per MQTT Protokoll versendet.

Ein großer Vorteil von der Balena Cloud ist deren Funktion durch Container Files laufende Services auf einzelnen Raspberry Pis zu aktualisieren. Gegeben ein Pi wird als Plattform für ein Backend oder auch als Sensor benutzt, so kann die laufende Applikation mit Hilfe von Balena bei Bedarf aktualisiert werden.

Der ESP8266 ist ein Mikrocontroller und kann kurz gesagt nicht in gleicher Weise in die Balena Cloud mit eingebunden werden. Um dennoch mit Hilfe der Balena Cloud die Logik welche auf dem ESP8266 ausgeführt aktualisieren zu können müssen wir ein bisschen kreativer werden.

Eine mögliche Herangehensweise wäre das Nutzen von Over-The-Air (OTA) Updates. Hier wird dem ESP8266 eine neue Applikation über das Netzwerk bereitgestellt, welche von dem Mikrocontroller geladen und gespeichert wird. Nach dem Schreiben auf den Speicher des Mikrocontrollers startet dieser neu und lädt die aktualisierte Version.

+------------+
| ESP8266 V1 | -- Update --+
+------------+             |
1) load file                |
2) save file                |
3) reboot                  |
+------------+             |
| ESP8266 V2 | <-----------+
+------------+

Momentan nutzen wir das Arduino “Framework” zum Programmieren des ESP8266. Mit dessen Hilfe können wir bequem alle benötigten Sensoren auslesen, sowie auch eine MQTT Verbindung aufbauen. Wie in der Dokumentation beschrieben werden OTA Updates auch unterstützt.

Das Arduino Framework bietet verschiedene OTA Möglichkeiten:

• OTA mit der Arduino IDE Normalerweise wird der ESP per Serial Port (ESP und Computer sind per USB verbunden) mit der Applikation bespielt (geflasht). Die Applikation liegt hierbei in kompilierter Form als binäre Datei vor. Ein OTA Update per Arduino IDE Updates benötigt eine geöffnete Arduino IDE, in welcher per Hand anstatt des Serial Ports ein Netzwerk Port ausgewählt wird. => Nicht wirklich automatisierbar.
• OTA über den Webbrowser Hier stellt der ESP selbst ein Webserver bereit, welcher per Browser aufgerufen werden kann, und die binäre Datei mit neuer Logik hochgeladen werden kann. => Nur schwer automatisierbar.
• OTA über einen HTTP Server Hier fragt der Server einen dritten HTTP Server an, welcher die binäre Datei überträgt. => Gut automatisierbar.

Für eine Integration mit der Balena Cloud sollte OTA über einen HTTP Server genutzt werden. Der HTTP Server und die binäre Datei sollten via Balena Cloud deployed werden, und ein Event triggern, welche den einzelnen ESPs signalisiert, dass ein Update notwendig ist.

+----------+  Update Artefakt  +---------+ / Deployed
| ESP8266  | <---------------- | Update  | | durch
+----------+                   | Server  | | Balena
    |                          +---------+ \ Cloud
    | Trigger  +---------+          |
    | Update   |  MQTT   |          |
    +--------- | Broker  |----------+
               +---------+

Hierbei sind allerdings einige Sicherheitsaspekte zu beachten:

• Kommunikation zwischen ESP und Update Server sollte verschlüsselt sein, um zu verhindern das die binäre Datei unserer Applikation abgefangen und analysiert werden kann, da in ihr Informationen wie die SSID und dass Passwort des lokalen Netzwerkes beinhaltet sind. Sowohl Update Server als auch ESP sollten über TLS kommunizieren. Ein ESP muss validieren können, ob der Update Server vertrauenswürdig ist, während der Update Server validieren muss, dass der ESP vertrauenswürdig ist.
• Die binäre Form sollte eine valide Signatur beinhalten, welche versichert, dass dieses Update unserer Herkunft entspringt. Dies sollte verhindern das fremder, möglicherweise, böswilliger Code auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird.
• Falls das Update Event auf, welches ein ESP reagiert durch beispielsweise Subscriben auf ein MQTT Topic realisiert wird, so muss sichergestellt werden, dass dieses Event nur durch eine Entität erfolgt, welcher wir trauen, d.h. der MQTT Broker bedarf einer möglichen Authentifizierung von Clients.

Die Sicherheitsaspekte werden wir noch genauer in weiteren Beiträgen beleuchten, jedoch zu Beginn erst einmal einen funktionierenden Prototyp erstellen, mit welchem wir weiterarbeiten können, denn wie sich später noch herausstellen wird ist Sicherheit gar nicht so einfach.

Das war es vorerst zur Architektur und unseren Anforderungen. In den nächsten Beiträgen stellen wir verschiedene Entwicklungsumgebung für das Entwickeln von Logik für den ESP8266 vor, wobei alle sich auf das Arduino Framework beziehen.