面向低功耗物联网设备的LoRaWAN无线增量固件更新技术bpatch：一种轻量级差分补丁生成与重构方法

为解决低带宽LoRaWAN网络中全固件传输能耗高、耗时长的问题，意大利都灵理工大学团队开发了轻量级差分算法bpatch。该算法仅用COPY/ADD两种指令，实现高达39,000倍的压缩比，显著降低传输时长与能耗，为受限IoT设备提供硬件无关的增量更新方案，已开源发布。

　　

在蜂群健康监测、环境传感等远程物联网应用中，设备往往部署在难以触及的区域，依靠电池供电长期运行。这些设备需要通过无线方式（Over-the-Air, OTA）进行固件更新以修复漏洞或升级功能，但传统方式需要传输完整固件镜像，而低功耗广域网（LoRaWAN）等物联网通信协议带宽极低，传输百KB级固件往往需要数百分钟，期间射频模块持续工作，能耗巨大，严重缩短设备续航。尤其对于采用LoRaWAN Class C模式（射频常开）的设备，其能耗比休眠的Class A模式高三个数量级，使得频繁更新变得不可行。现有差分更新技术如bsdiff、VCDIFF等虽能压缩数据，但往往依赖外部压缩算法或复杂计算，需要文件系统和大内存支持，难以在资源受限的微控制器（MCU）上运行。

针对这一难题，意大利都灵理工大学电子与通信系的Andrea De Simone、Giovanna Turvani和Fabrizio Riente团队在《Internet of Things》上发表研究，提出了名为bpatch的轻量级增量固件更新方案。该方案核心在于生成极简的差分补丁文件，设备端只需实现低开销的重构算法，即可在本地合成新固件，无需传输完整镜像，从而大幅节省空口传输时间和能量。

研究采用的关键技术方法包括：1）基于UNIX diff（Myers算法）进行二进制差异分析，生成初始编辑脚本；2）设计自定义位级编码格式，仅使用COPY（从旧固件复制字节）和ADD（插入新字节）两种基本指令，通过动态字段位长前缀实现高效压缩；3）开发硬件无关的C语言重构函数，可直接集成于MCU，支持内部Flash或外部存储器操作；4）采用实际蜂箱监测物联网节点（STM32WL55JC MCU）和LoRaWAN网络（868MHz, SF9）进行能耗实测，对比完整传输与增量更新的时间/电流消耗。

研究结果通过系统架构与集成、算法描述、差分算法对比及能耗测量四个部分呈现。（1）系统架构与集成：团队在现有LoRaWAN FUOTA（Firmware Update Over-the-Air）流程中嵌入bpatch，服务器比较新旧版本生成补丁，设备接收后应用补丁重构固件。内存足迹分析表明，该过程仅需额外缓存补丁和临时固件空间，无需额外存储层次。（2）算法描述：bpatch补丁文件含头部（定义字段位长常量WNBD、WNBC、WNBA及总大小）和交替出现的COPY（含nbd丢弃字节数、nbc复制字节数字段）与ADD（含nba新字节数字段及数据）操作码，采用非字节对齐的位级编码，最大化压缩效率。（3）差分算法对比：在173对真实固件（来自STM32WL、STM32H7、Raspberry Pi架构）测试中，bpatch在近乎无更新（NU）场景压缩比达676–39,067倍，显著优于HDiffPatch（561–6,955倍）和VCDIFF（591–13,568倍）；在微小更新（MN）场景达9–18倍，与HDiffPatch相当；重大更新（MJ）时bpatch_m优化版仍保持2.3–3.3倍压缩。（4）能耗测量：在STM32WL55JC硬件平台实测显示，Class C模式接收电流约6.06mA，每片段传输耗时18.8ms。增量更新使传输片段数减少7.5–18.1倍，更新时长从114–149分钟缩短至8–46分钟，能耗从12.17–15.93mAh降至0.86–4.93mAh，节省7.24–15.01mAh。固件重构阶段能耗仅15.64–16.85μAh，相对传输可忽略。

研究结论强调，bpatch以极小计算开销实现了与复杂算法相当的压缩率，尤其适合微小变更占主导的物联网更新场景。其硬件无关性和开源发布（Zenodo及GitHub）促进了在多种低功耗MCU上的部署。讨论指出，未来工作可探索更多操作码优化压缩，并集成组播传输以提升大规模网络更新效率。该研究为受限物联网设备的可持续远程维护提供了关键技术路径，显著延长了电池寿命并降低了物理维护成本。