虛擬 A/B 概述

Android 有兩種更新機制：A/B（無縫）更新和非 A/B 更新。為了降低代碼複雜度並增強更新過程，在 Android 11 中，這兩種機制通過虛擬 A/B 統一起來，以最小化存儲成本為所有設備帶來無縫更新。 Android 12 提供了虛擬 A/B 壓縮選項來壓縮快照分區。在 Android 11 和 Android 12 中，以下內容均適用：

  • 虛擬 A/B 更新與 A/B 更新一樣無縫。虛擬 A/B 更新可最大限度地減少設備脫機和不可用的時間。
  • 虛擬 A/B 更新可以回滾。如果新操作系統無法啟動，設備會自動回滾到之前的版本。
  • 虛擬 A/B 更新通過僅複製引導加載程序使用的分區來使用最少的額外空間。其他可更新分區被快照。

背景和術語

本節定義了術語並描述了支持虛擬 A/B 的技術。

設備映射器

Device-mapper 是 Android 中經常使用的 Linux 虛擬塊層。使用動態分區，像/system這樣的分區是一堆分層設備：

  • 堆棧的底部是物理超級分區（例如/dev/block/by-name/super ）。
  • 中間是一個dm-linear設備，指定超級分區中的哪些塊形成給定的分區。這在 A/B 設備上顯示為/dev/block/mapper/system_[a|b] ，在非 A/B 設備上顯示為 /dev/ /dev/block/mapper/system 。
  • 頂部是一個dm-verity設備，為已驗證的分區創建。該設備驗證dm-linear設備上的塊是否已正確簽名。它顯示為/dev/block/mapper/system-verity並且是/system安裝點的來源。

圖 1 顯示了/system掛載點下的堆棧的樣子。

Partition stacking underneath system

圖 1. /system 掛載點下的堆棧

dm-快照

虛擬 A/B 依賴於dm-snapshot ，這是一個設備映射器模塊，用於對存儲設備的狀態進行快照。使用dm-snapshot時，有四個設備在運行：

  • 基本設備是快照的設備。在此頁面上，基本設備始終是動態分區，例如係統或供應商。
  • 寫時復制(COW) 設備，用於記錄對基本設備的更改。它可以是任意大小，但必須足夠大以適應對基本設備的所有更改。
  • 快照設備是使用snapshot目標創建的。對快照設備的寫入將寫入 COW 設備。從快照設備讀取從基本設備​​或 COW 設備讀取，具體取決於正在訪問的數據是否已被快照更改。
  • 源設備是使用snapshot-origin目標創建的。直接從基礎設備讀取到源設備。寫入源設備直接寫入基礎設備，但通過寫入COW設備備份原始數據。

Device mapping for dm-snapshot

圖 2. dm-snapshot 的設備映射

壓縮快照

在 Android 12 中，由於/data分區的空間要求可能很高，您可以在構建中啟用壓縮快照來解決/data分區的更高空間要求。

虛擬 A/B 壓縮快照基於 Android 12 中可用的兩個新組件構建：

  • dm-user ，一個類似於 FUSE 的內核模塊，允許用戶空間實現塊設備。
  • snapuserd ，一個用戶空間守護進程，用於實現新的快照格式。

這些組件啟用壓縮。為實現壓縮快照功能所做的其他必要更改將在下一節中給出：壓縮快照的 COW 格式、 dm-user和Snapuserd 。

壓縮快照的 COW 格式

在 Android 12 中，壓縮快照使用新的 COW 格式。與用於未壓縮快照的內核內置格式類似，壓縮快照的 COW 格式具有元數據和數據的交替部分。原始格式的元數據只允許“替換”操作：將基礎映像中的塊X替換為快照中塊Y的內容。壓縮快照 COW 格式更具表現力，支持三種操作：

  • 複製- 基礎設備中的塊X應替換為基礎設備中的塊Y。
  • 替換- 基礎設備中的塊X應替換為快照中塊Y的內容。這些塊中的每一個都經過 gz 壓縮。
  • 零- 基本設備中的塊X應替換為全零。

完整的 OTA 更新僅包括替換和歸零操作。增量 OTA 更新還可以具有復制操作。

Android 12 中的 dm 用戶

dm-user 內核模塊使userspace能夠實現設備映射器塊設備。 dm-user 表條目在/dev/dm-user/<control-name>下創建了一個雜項設備。 userspace進程可以輪詢設備以接收來自內核的讀寫請求。每個請求都有一個關聯的緩衝區供用戶空間填充（用於讀取）或傳播（用於寫入）。

dm-user內核模塊為內核提供了一個新的用戶可見界面，該界面不屬於上游 kernel.org 代碼庫的一部分。在此之前，Google 保留修改 Android 中的dm-user界面的權利。

快照用戶

dm-user的snapuserd用戶空間組件實現了虛擬 A/B 壓縮。

在 Virtual A/B 的未壓縮版本中（在 Android 11 及更低版本中，或在沒有壓縮快照選項的 Android 12 中），COW 設備是原始文件。啟用壓縮後，COW 將作為dm-user設備運行，該設備連接到snapuserd守護程序的實例。

內核不使用新的 COW 格式。所以snapuserd組件在 Android COW 格式和內核內置格式之間轉換請求：

Snapuserd component translating requests between Android COW format and kernel built-in format

圖 3. snapuserd 作為 Android 和 Kernel COW 格式之間的轉換器的流程圖

這種轉換和解壓縮永遠不會發生在磁盤上。 snapuserd組件攔截發生在內核中的 COW 讀取和寫入，並使用 Android COW 格式實現它們。

虛擬 A/B 壓縮過程

這些部分提供了有關虛擬 A/B 壓縮中使用的過程的詳細信息：讀取元數據、合併和執行初始化轉換。

讀取元數據

元數據由snapuserd守護進程構建。元數據主要是 2 個 ID 的映射，每個 8 字節，表示要合併的扇區。在dm-snapshot中，它被稱為disk_exception 。

struct disk_exception {
    uint64_t old_chunk;
    uint64_t new_chunk;
};

當舊數據塊被新數據替換時，會使用磁盤異常。

Snapuserd守護程序通過 COW 庫讀取內部 COW 文件，並為 COW 文件中存在的每個 COW 操作構造元數據。

創建 dm- dm- snapshot設備時，從內核中的dm-snapshot啟動元數據讀取。

下圖提供了元數據構建的 IO 路徑的時序圖。

Sequence diagram, IO path for metadata construction

圖 4.元數據構建中 IO 路徑的序列流

合併

引導過程完成後，更新引擎會將插槽標記為引導成功，並通過將dm-snapshot目標切換到dm-snapshot-merge目標來啟動合併。

dm-snapshot遍曆元數據並為每個磁盤異常啟動一個合併 IO。下面顯示了合併 IO 路徑的高級概述。

Merge IO path

圖 5.合併 IO 路徑概覽

如果設備在合併過程中重新啟動，則合併在下次重新啟動時恢復，合併完成。

初始化轉換

使用壓縮快照啟動時，第一階段 init 必須啟動snapuserd以掛載分區。這帶來了一個問題：當sepolicy被加載和執行時， snapuserd被置於錯誤的上下文中，並且它的讀取請求失敗，並被 selinux 拒絕。

為了解決這個問題， snapuserd與init同步轉換，如下所示：

  1. 第一階段init從 ramdisk 啟動snapuserd ，並將打開的文件描述符保存在環境變量中。
  2. 第一階段init將根文件系統切換到系統分區，然後執行init的系統副本。
  3. init的系統副本將組合的 sepolicy 讀入一個字符串。
  4. Init在所有 ext4 支持的頁面上調用mlock() 。然後，它會停用快照設備的所有設備映射表，並停止snapuserd 。在此之後，禁止從分區讀取，因為這樣做會導致死鎖。
  5. 使用snapuserd的 ramdisk 副本的打開描述符， init使用正確的 selinux 上下文重新啟動守護程序。重新激活快照設備的設備映射表。
  6. Init 調用munlockall() - 再次執行 IO 是安全的。

空間使用

下表提供了使用 Pixel 的操作系統和 OTA 大小的不同 OTA 機制的空間使用比較。

尺寸影響非 A/B甲/乙虛擬 A/B虛擬 A/B（壓縮）
原廠圖片4.5GB超級（3.8G圖片+700M預留） 1 9GB 超級（3.8G + 700M 預留，兩個插槽） 4.5GB超級（3.8G圖片+700M預留） 4.5GB超級（3.8G圖片+700M預留）
其他靜態分區/緩存沒有任何沒有任何沒有任何
OTA期間的額外存儲（應用OTA後返回的空間） /data 1.4GB 0 /data 3.8GB 2 /data 2.1GB 2
應用 OTA 所需的總存儲空間5.9GB 3 （超級和數據） 9GB（超級） 8.3GB 3 （超級和數據） 6.6GB 3 （超級和數據）

1表示基於像素映射的假定佈局。

2假設新系統映像與原始系統映像大小相同。

3空間需求是暫時的，直到重新啟動。

要實施虛擬 A/B，或使用壓縮快照功能，請參閱實施虛擬 A/B