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[转]Android Recovery 工作流程

2012-05-02  techres

09年初写的Android Recovery

找到了以前写的老文档,09年初写的,不管内容怎样,贴出来晒晒~

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Android Recovery

Android Recovery: 功能简介

Android支持Recovery模式。在某些操作之后,系统会自动重启并进入到Recovery模式,用户按组合键开机(HOME+POWER),也可进入Recovery模式。该模式提供如下功能:

1、擦除用户数据

恢复系统到出厂模式,即擦除用户数据和缓存数据。

2、系统升级

系统升级的概念比较广,包括系统文件的升级、恢复损害的系统数据、firmware的升级,以及应用软件的维护,甚至影音文件的下载。系统升级需要使用特定的升级包,Android使用OTA[1]升级包,其初衷在于可以发挥广域无线通信链路的优势,如3G。

升级方式有两种:

1、在线升级

利用无线通信网络,系统自动连接更新源,查看有无升级包、下载OTA升级包,然后给出提示,发起升级过程,如下左图。感觉有点类似Windows XP的系统更新,只不过升级的时候,Android系统会重启系统进入Recovery模式。另外Android的升级内容很广泛,比如可以通过这种方式安装应用程序。T-Mobile已经提供了这种服务,如升级服务器以OTA无线方式向G1终端发送Android平台RC33升级包,传输媒介可以是3G网络、Wi-Fi或GPRS。

2、离线升级

可以将下载到的OTA包放在SD卡里,通过离线方式升级,如下右图所示。这种升级方式比较灵活,不用花费无线流量。这样一来,使用自己制作的OTA进行升级也成为可能。事实上,G1就是用这种方式进行刷机的,比如更新radio firmware以支持某个频段。

Android: 分区结构

在分析Recovery工作流程之前,我们先了解一下Android文件系统的分区结构。下表是android/bootable/recovery/root.c中提得到的结构:

Name Device Partition name Mount point File system
BOOT g_mtd_device Boot NULL g_raw
CACHE g_mtd_device Cache /cache yaffs2
DATA g_mtd_device Userdata /data yaffs2
MISC g_mtd_device Misc NULL g_raw
PACKAGE NULL NULL NULL g_package_file
RECOVERY g_mtd_device Recovery / g_raw
SDCARD /dev/block/mmcblk0p1 NULL /sdcard Vfat
SYSTEM g_mtd_device System /system yaffs2
TMP NULL NULL /tmp NULL

Root file system layout

模拟器环境下adb shell里的mount输出:

# mount

……

/dev/block/mtdblock0     /system                       yaffs2      ro                                0     0

/dev/block/mtdblock1     /data                            yaffs2      rw,nosuid,nodev            0     0

/dev/block/mtdblock2     /cache                         yaffs2      rw,nosuid,nodev            0     0

综上,MTD中有如下分区:

BOOT:                boot.img,Linux kernel (within normal ramdisk)

MISC:                 bootloader message struct

RECOVERY:       recovery.img,Linux kernel (within recovery ramdisk)

SYSTEM:            system.img

DATA:                 userdata.img

CACHE:              some cache files

有几点说明:

1、一般来讲,主板上还有用于存储bootloader的可擦写存储设备。若具备通信能力,还要存储radio firmware,这两部分的更新由Recovery协助Bootloader完成,没有代码证明一定存在NAND flash上。

2、RECOVERY分区无文件系统,存放二进制image。

3、SYSTEM中有recovery.img的备份:/system/recovery.img,initrc中有如下代码:

service flash_recovery /system/bin/flash_image recovery system/recovery.img

oneshot

每次启动,flash_image程序,会检查recovery分区中image的header,如果与备份的recovery.img不符,就会把备份写到RECOVERY分区。这样做是为了应对RECOVERY分区遭到破坏。当然,我们也可以更换这个备份,这样也会将其写到RECOVERY。事实上,处于安全及版权考虑,OTA是有签名的(其实就是JAR包),Recovery对签名有要求,所以只能进行被允许的升级,此时的破解思路就是更换一个不检查签名的Recovery程序,方法就是设法更换/system/recovery.img。

Android Recovery: 三个部分、两个接口

Recovery的工作需要整个软件平台的配合,从架构角度看,有三个部分:

1、Main system:用boot.img启动的Linux系统,Android的正常工作模式。

2、Recovery:用recovery.img启动的Linux系统,主要是运行Recovery程序。

3、Bootloader:除了加载、启动系统,还会通过读取flash的MISC分区获得来自Main system和Recovery的消息,并以此决定做何种操作。

在Recovery的工作流程中,上述三个实体的通信必不可少。通信的接口有以下两个:

l         CACHE分区中的三个文件:/cache/recovery/…

Recovery通过/cache/recovery里的文件与main system通信,有三个文件:

  1. /cache/recovery/command

Main system传给Recovery的命令行,每一行有一个命令,支持以下几种:

–send_intent=anystring               write the text out to recovery/intent

–update_package=root:path         verify install an OTA package file

–wipe_data                                 erase user data (and cache), then reboot

–wipe_cache                              wipe cache (but not user data), then reboot

  1. /cache/recovery/log

Recovery的log输出,在recovery运行过程中,stdout及stderr会重定位到/tmp/recovery.log文件,Recovery退出之前会将其转储到/cache/recovery/log中,也就是cache分区的recovery/log。

  1. /cache/recovery/intent

Recovery传给Main system的信息

l         BCB (bootloader control block)

struct bootloader_message {

char  command[32];

char  status[32];

char  recovery[1024];

};

BCB是Bootloader与Recovery的通信接口,也是Bootloader与Main system的通信接口,存储在flash中的MISC分区,占用三个page,各成员意义如下:

command

当想要重启进入recovery模式,或升级radio/bootloader firmware时,会更新这个域。当firmware更新完毕,为了启动后进入recovery做最终的清除,bootloader还会修改它。

status

update-radio或update-hboot完成后,bootloader会写入相应的信息,一般是一些状态或执行结果。

recovery

仅被Main system写入,用于向Recovery发送消息,必须以“recovery\n”开头,否则这个域的所有内容会被忽略。这一项的内容中“recovery/\n”以后的部分,是/cache/recovery/command支持的命令,可以认为这是在Recovery操作过程中,对命令操作的备份。Recovery也会更新这个域的信息,执行某操作前把该操作命令写到recovery域,并更新command域,操作完成后再清空recovery域及command域,这样在进入Main system之前,就能确保操作被执行。

如图所示,Main system、Recovery与Bootloader通过上述接口通信,通信逻辑依不同的目的而不同,在后面介绍具体工作流程中还会详细介绍。

Main system进入Recovery的方法

我们提到,从Main system进入到Recovery,要修改MISC分区的数据并重启,从而告诉Bootloader是用boot.img还是用recovery.img启动。

init.c里的wait_for_one_process函数中有如下代码:

__reboot(LINUX_REBOOT_MAGIC1, LINUX_REBOOT_MAGIC2,

LINUX_REBOOT_CMD_RESTART2, “recovery”);

一些关键的进程运行异常,会重启进入recovery模式,这里用__reboot函数进入recovery。跟踪这个函数,由系统调用处理函数,到kernel_restart(char *cmd),最终调用machine_restart使用体系结构相关的代码完成重启。

Android中没有给出如何处理“recovery”重启。不过可以断定,在重启之前会向BCB中写入信息,以告知bootloader如何启动,具体操作是这样的:

向command域中写入“boot-recovery”      // 此操作必做

向recovery域写入“recovery\n”         // 此操作也可不做

这些操作很可能在kernel_restart(char *cmd)中完成,因为这一部分与体系结构无关,如果要实现完整的Recovery,这部分工作是必须做的。

Bootloader得到进入Recovery模式的指示,用recovery.img启动,进入Recovery模式,init.rc (bootable/recovery/etc/init.rc)的内容比Main system的要短的多,最重要的是把recovery程序作为服务启动:

service recovery /sbin/recovery

Android Recovery: 总体流程

根据Recovery的initrc,kernel启动完成后,启动recovery服务,这是一个C程序,入口在/bootable/recovery/recovery.c中,main函数结构清晰,主要流程如图:

l         get_args:首先调用get_args获取参数,主要流程如下:

get_args不仅传回获取到的参数,还会将其写入BCB,这样,一旦升级或擦除数据的过程中出现错误,重启之后依然进入Recovery并做相同操作。

l         register_update_command,这是为update做准备工作,负责注册update用的command & function,正是这些command & function组成了update用到的update_script:

先用commandInit(android/bootable/recovery/amend/command.c)初始化command symbol table,然后多次调用registerCommand及registerFunction注册command及function。command相关的源代码都在amend目录中,语法的构建及解析使用Android已经包含的Bison(Yacc)。

这里的command有15个,见下表:

Command Name Argument Type Command Handler
assert CMD_ARGS_BOOLEAN cmd_assert
delete CMD_ARGS_WORDS cmd_delete
delete_recursive CMD_ARGS_WORDS cmd_delete
copy_dir CMD_ARGS_WORDS cmd_copy_dir
run_program CMD_ARGS_WORDS cmd_run_program
set_perm CMD_ARGS_WORDS cmd_set_perm
set_perm_recursive CMD_ARGS_WORDS cmd_set_perm
show_progress CMD_ARGS_WORDS cmd_show_progress
symlink CMD_ARGS_WORDS cmd_symlink
format CMD_ARGS_WORDS cmd_format
write_radio_image CMD_ARGS_WORDS cmd_write_firmware_image
write_hboot_image CMD_ARGS_WORDS cmd_write_firmware_image
write_raw_image CMD_ARGS_WORDS cmd_write_raw_image
mark CMD_ARGS_WORDS cmd_mark
done CMD_ARGS_WORDS cmd_done

CMD_ARGS_BOOLEAN表示该command后面接的参数是boolean值,即true或false,解析脚本时计算参数的逻辑值,然后传给command handler,目前只有“assert”这个command用此类型的参数。

CMD_ARGS_WORDS表示该command后面接的参数是字符,形如C程序启动时加的参数,解析脚本时把参数直接传递给command handler,比如“format BOOT:”,“BOOT:”会传给cmd_format。

Function Name Function Handler
compatible_with fn_compatible_with
update_forced fn_update_forced
get_mark fn_get_mark
hash_dir fn_hash_dir
matches fn_matches
concat fn_concat
getprop fn_getprop
file_contains fn_file_contains

function与command用同样的处理框架,只不过function会产生返回值,目前见到的用法一般都是与assert一起使用,例如下面脚本:

assert  getprop(“ro.bootloader”) == “0.95.0000″

先用getprop从properties中取得bootloader版本,然后再将比较后的boolean值传给assert。

l         prompt_and_wait:等待用户输入

首先打印文本信息。然后执行finish_recovery(NULL),这个函数后面介绍。然后进入ui_wait_key等待用户输入,按下不同的组合键会有不同的动作。对于键盘输入,先到达input_thread函数(android/bootable/recovery/ui.c),在那里处理两种组合键,其余才交给ui_wait_key处理:

KEY Funcion Handler
Home + Back reboot system now ui_wait_key
Alt + S apply sdcard:update.zip ui_wait_key
Alt + W wipe data/factory reset ui_wait_key
Alt + L toggle log text display input_thread
Green + Menu + Red reboot immediately input_thread

Home + Back:退出prompt_and_wait。

Alt + W或Alt + S,执行完install_package或erase_root后,若没有激活log text display,那么,就会退出prompt_and_wait,否则继续等待输入。

Green + Menu + Red:立刻重启,一般这样还会进入Recovery,因为BCB还没有来得及清空。

l         finish_recovery:离开Recovery进入Main system的必经之路,流程如下:

intent内容作为参数传进来,如果有intent需要告知Main system,将其写入/cache/recovery/intent;

将所有log信息转储到/cache/recovery/log文件,以供Main system读取;

清除BCB,也就是告知Bootloader启动进入Main system;

删除/cache/recovery/command;

以上是整体流程中的几个函数,关于安装升级包、升级firmware等操作将在具体流程中介绍。

Android Recovery: Factory data reset流程

如果系统不稳定,可以尝试恢复出厂设置,该操作会擦除DATA分区及CACHE分区,有两种恢复方式,下面分别介绍:

l         通过Setting程序发起Facory data reset:

屏幕显示如上图,结合着下面的通信图,列出工作流程:

1、在应用程序Setting中选择factory data reset

2、Main system向/cache/recovery/command写入”–wipe_data”

3、Main system重启进入recovery模式(方法:修改BCB)

4、Recovery向BCB写入”boot-recevory”和”recovery\n–wipe_data\n”

5、擦除DATA分区,里面是用户数据,擦除CACHE分区

6、finish_recovery函数

7、重启,回到Main system

第四个步骤,Recovery向BCB写入boot-recovery和–wipe_data,这是为了保证后面几个步骤的完整执行。如,在擦除DATA分区或CACHE分区过程中,如果发生了重启、关机等操作,导致没有擦除成功,那么再次用常规方式开机后,Bootloader会依据BCB的指示,引导进入Recovery,并重新擦除这两个分区。擦完DATA分区与CACHE分区后,调用finish_recovery,做返回Main system前最后的工作,最终要的是擦除BCB,即MISC分区。此后,用常规方式重新开机,系统会进入Main system。

阅读Android的代码,发现Setting通过RPC调用Checkin Service的masterClear()启动这个过程,然而在Android中并没有找到masterClear()的实现,相关代码需要在产品化的过程中加入。从ICheckinService.aidl的注释可以了解到这个函数的作用:

/** Reboot into the recovery system and wipe all user data. */

代码位置:

/packages/apps/Settings/src/com/android/settings/MasterClear.java

/frameworks/base/core/java/android/os/ICheckinService.aidl

l         通过HOME+POWER组合键进入Recovery,再按ALT+W启动Factory data reset

过程比较简单,而且与上一种方式类似,结合总体流程,步骤如下:

1、捕获按键Alt + W。

2、擦除DATA分区、擦除CACHE分区。

3a、若激活了log显示(ALT+L:toggle log text display),调用finish_recovery函数重启,回到Main system。

3b、若没有激活log显示,继续接收按键,可用HOME+BACK重启回到Main system。

Android Recovery Update: 流程

l         update.zip

update操作需要升级包,该升级包是文件名是*.zip,但观察包内结构会发现其实就是JAR包,JAR包是具有特定目录和文件结构的ZIP压缩包,因此可以作为ZIP包解开:

MANIFEST.MF:这个manifest文件定义了与包相关数据。

XXX.SF:这是JAR文件的签名文件,占位符xxx标识签名者,如CERT。

XXX.DSA:与签名文件相关联的签名程序块文件,它存储了用于签名JAR文件的公共签名。

在META-INF/com/google/android目录下有update_script文件,内容就是update要做的操作,也就是前面提到过的command序列。

出于安全性及版本控制的考虑,JAR包要求必须有完整性以及合法性签名。可以看出这是Android确保安全的策略。JAR相关内容参见http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jar/,这里就不再详细介绍。

l         Main system部分

通过Android系统下载升级包并启动升级操作,需要上层应用Updater的支持,它是Java程序,代码位置android/packages/apps/Updater。大致流程:

系统启动后,如果存在网络连接,则检查是否存在升级包;

如果存在升级包,则下载至/cache目录;

调用Updater程序来提示是否升级;

如果Updater程序进程不存在,则自动启动此程序;

没有在代码中找到开始升级后执行哪些操作。不过由recovery.c的注释部分可以肯定一定需要重启进入Recovery,重启前要更新/cache/recovery/command,以告知Recovery进行升级:

–update_package=root:path

l         update流程

update有两种方式,第一种是上面提到的由Android启动的自动update过程,升级包在cache/下,升级包的名字在/cache/recovery/command文件中指定。第二种是手动进入Recovery模式,然后输入Alt + S,安装/sdcard/update.zip升级包。两种方式不同的只是安装包的位置以及传递参数给Recovery的方法,update过程都是一样的,工作流程如下图所示:

  • install_package @ android/bootable/recovery/install.c

得到安装包信息,如“–update_package=CACHE:update.zip”,进入install_package函数,流程如下左图。mount安装包所在的分区,然后打开zip压缩包,进入handle_update_package开始升级:

handle_update_package中,先对包进行校验,校验过程分三步:

verifySignature:    检验SF文件与RSA文件的匹配

verifyManifest:      检验/META-INF/MANIFEST.MF与签名文件中的digest是否一致

verifyArchive:       检验包中的文件与MANIFEST是否一致

接着find_update_script从MANIFEST.MF找到update_script的位置,然后handle_update_script,如下图,把内容读到buffer后,对其进行解析,分解成各个command(包括function)放在一个list中依次执行。

  • maybe_install_firmware_update @ android/bootable/recovery/firmware.c

install_package成功后,调用maybe_install_firmware_update,这个函数处理firmware的更新。update firmware脚本是这样的:

write_radio_image PACKAGE:radio.img

cmd_write_firmware_image处理write_radio_image这个命令,将image从压缩包加载到RAM中,并调用remember_firmware_update更新update_type、update_data及update_length。这三个变量对于maybe_install_firmware_update是可见的,并由它们来判断是否要安装firmware。下面是主要流程:

如果升级涉及radio / hboot firmware (radio:基带处理相关,hboot:bootloader)

1、向BCB写入”boot-recovery”和”–wipe_cache”

……此后重启系统,将进入recovery并擦除CACHE分区

2、write_update_for_bootloader向raw CACHE分区写入image,CACHE分区的内容将被破坏。

3、向BCB写入”update-radio/hboot”和”–wipe_cache”

4、重启,由Bootloader更新firmware

5、Bootloader向BCB写入”boot-recovery”,并保留BCB中recovery里的”–wipe_cache”

6、重启,再次进入Recovery,调用erase_root()擦除CACHE分区

7、finish_recovery()清除BCB

8、重启,进入main system

l         Bootloader

每次启动,Bootloader都会读取位于MISC分区的bootloader_message,并检查command区域以\0结尾,还要考虑flash存在坏块的情况。然后根据读取的命令,启动系统或者更新firmware。工作流程如下:

升级之后,无论升级成功是否,Bootloader都会进入recovery完成最后的收尾工作,并带着status以告知是否成功。如果更新hboot(尚不知道为什么叫这个名字,不过可以确定它就是bootloader firmware),一旦失败,若原有的bootloader遭到破坏,那么系统将不能boot。

为实现Android Recovery,还需要做什么?

实现Setting中Factory data reset

查看Updater工作流程,找到发起update的方法

实现__reboot(…..”recovery”)函数,连接Main system与Recovery

升级包的打包方法,以及JAR包签名机制

实现Bootloader与Recovery及Main System的通信;

实现Bootloader的启动逻辑、firmware升级;


[1] OTA:Over The Air,一种手机等终端应用的“空中下载”技术,利用这种技术用户可以通过下载来修补终端的漏洞或升级某些功能

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