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スレッド境界ルーター - スレッド 1.2 マルチキャスト

1. はじめに

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スレッドとは

スレッドは IP ベースの低電力ワイヤレス メッシュ ネットワーク プロトコルであり、デバイス間やデバイス間の通信を安全に行うことができます。スレッド ネットワークは、トポロジの変更に適応して、単一ポイントの障害を回避できます。

OpenThread とは

Google がリリースする OpenThread は、Thread® のオープンソース実装です。

OpenThread 境界ルーターとは

Google がリリースした OpenThread ボーダー ルーター(OTBR)は、スレッドボーダー ルーターのオープンソース実装です。

Thread 1.2 Multicast

Thread 1.2 には、レルムローカルよりも広いスコープを持つマルチキャスト アドレスの異種ネットワーク(スレッドと Wi-Fi/イーサネット ネットワーク セグメント)間でマルチキャストをサポートする一連の機能が定義されています。

スレッド 1.2 ボーダー ルーターがバックボーン ルーター(BBR)データセットを登録し、選択した BBR サービスがプライマリ バックボーン ルーター(PBBR)となり、マルチキャストの受信/送信の進行役を行います。

スレッド 1.2 デバイスは、アドレスがレルム ローカルより大きい場合、マルチキャスト アドレスを PBBR(Multicast Listener Registration、略して MLR)に登録するための CoAP メッセージを送信します。PBBR は、外部インターフェース上の MLDv2 を使用して、ローカルの Thread ネットワークの代わりにリッスンする必要のある IPv6 マルチキャスト グループに関する幅広い IPv6 LAN/WAN と通信します。また、PBBR は、デスティネーションが少なくとも 1 つの Thread デバイスでサブスクライブされている場合にのみ、マルチキャスト トラフィックを Thread ネットワークに転送します。

Thread 1.2 の最小エンドデバイスの場合は、保護者に依頼してマルチキャスト アドレスを集約し、MLR を実行します。また、保護者が Thread 1.1 の場合、自分自身を登録することもできます。

詳しくは、Thread 1.2 Specification Section 5.24 Multicast Forwarding for more than Realm-Local Scope をご覧ください。

作業内容

この Codelab では、スレッド境界ルーターと 2 つの Thread デバイスをセットアップし、Thread デバイスと Wi-Fi デバイスでマルチキャスト機能を有効にして確認します。

学習内容

  • Thread 1.2 マルチキャスト機能を使用して nRF52840 ファームウェアをビルドする方法。
  • Thread デバイスで IPv6 マルチキャスト アドレスを登録する方法

必要なもの

  • Raspberry Pi 3/4 デバイスと 8 GB 以上の SD カード。
  • Nordic Semiconductor nRF52840 DK ボード x 3
  • ルーターで IPv6 Router アドバタイズメント ガードが有効になっていない Wi-Fi AP。
  • Python3 がインストールされた Linux/macOS ノートパソコン(Raspberry Pi も動作します)

2. OTBR を設定

スレッド境界ルーター - 双方向 IPv6 接続と DNS ベースのサービス ディスカバリ の Codelab に沿って、Raspberry にスレッド境界ルーターを設定します。パイ

インストールが完了したら、Raspberry Pi は動作可能なスレッド ネットワークを作成し、Wi-Fi ネットワークに接続している必要があります。

OTBR が数秒以内にプライマリ バックボーン ルーターになります。

$ sudo ot-ctl bbr state
Primary
Done
$ sudo ot-ctl bbr
BBR Primary:
server16: 0xD800
seqno:    23
delay:    1200 secs
timeout:  3600 secs
Done

3. ビルドデバイスと Flash スレッド デバイス

マルチキャストを使用して Thread 1.2 CLI アプリケーションをビルドし、2 つの nRF52840 DK ボードをフラッシュします。

nRF52840 DK ファームウェアをビルドする

手順に沿ってプロジェクトのクローンを作成し、nRF52840 ファームウェアを構築します。

$ mkdir -p ~/src
$ cd ~/src
$ git clone --recurse-submodules --depth 1 https://github.com/openthread/ot-nrf528xx.git
$ cd ot-nrf528xx/
$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_MLR=ON -DOT_THREAD_VERSION=1.2
$ arm-none-eabi-objcopy -O ihex build/bin/ot-cli-ftd ot-cli-ftd.hex

正常にビルドされた HEX ファームウェアは ot-cli-ftd.hex にあります。

Flash nRF52840 DK ファームウェア

nRF コマンドライン ツールの一部である nrfjprog を使用して、ファームウェアを nRF52840 DK にフラッシュします。

$ nrfjprog -f nrf52 --chiperase --program ot-cli-ftd.hex --reset

4.Thread デバイスを Thread ネットワークに接続する

OTBR が前のステップで、スレッド ネットワークを作成しました。nRF52840 DK を Thread ネットワークに追加できるようになりました。

OTBR から未加工のアクティブ データセットを取得します。

$ sudo ot-ctl dataset active -x
0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff

nRF52840 DK ボードに接続します。

$ screen /dev/ttyACM0 115200

nRF52840 DK のアクティブ データセットを構成します。

> dataset set active 0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff
Done

スレッド スタックを開始し、数秒間待ち、デバイスが正常にアタッチされたことを確認します。

> ifconfig up
Done
> thread start
Done
> state
child

上記の手順を繰り返して、他の nRF52840 DK ボードを Thread ネットワークに接続します。

これで、3 つの Thread デバイス(OTBR と 2 つの nRF52840 DK ボード)で Thread ネットワークを設定できました。

5. Wi-Fi ネットワークのセットアップ

OTBR とノートパソコンで Wi-Fi ネットワークをセットアップして、同じ Wi-Fi AP に接続するようにします。

raspi-config を使用して、Raspberry Pi OTBR で Wi-Fi SSID とパスフレーズを設定できます。

最終的なネットワーク トポロジを以下に示します。

5d0f36fd69ebcc9a.png

6. IPv6 マルチキャスト アドレスに登録します

nRF52840 のデバイス 1 で ff05::abcd をサブスクライブ:

> ipmaddr add ff05::abcd
Done

ff05::abcd が正常に登録されていることを確認します。

> ipmaddr
ff33:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff32:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff05:0:0:0:0:0:0:abcd            <--- ff05::abcd subscribed
ff02:0:0:0:0:0:0:2
ff03:0:0:0:0:0:0:2
ff02:0:0:0:0:0:0:1
ff03:0:0:0:0:0:0:1
ff03:0:0:0:0:0:0:fc
Done

ノートパソコンで ff05::abcd に登録します。

ノートパソコンでマルチキャスト アドレスに登録するには、Python スクリプト subscribe6.py が必要です。

次のコードをコピーして subscribe6.py として保存します。

import ctypes
import ctypes.util
import socket
import struct
import sys

libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'))
ifname, group = sys.argv[1:]
addrinfo = socket.getaddrinfo(group, None)[0]
assert addrinfo[0] == socket.AF_INET6
s = socket.socket(addrinfo[0], socket.SOCK_DGRAM)
group_bin = socket.inet_pton(addrinfo[0], addrinfo[4][0])
interface_index = libc.if_nametoindex(ifname.encode('ascii'))
mreq = group_bin + struct.pack('@I', interface_index)
s.setsockopt(socket.IPPROTO_IPV6, socket.IPV6_JOIN_GROUP, mreq)
print("Subscribed %s on interface %s." % (group, ifname))
input('Press ENTER to quit.')

subscribe6.py を実行して、Wi-Fi ネットワーク インターフェース(wlan0 など)で ff05::abcd をサブスクライブします。

$ sudo python3 subscribe6.py wlan0 ff05::abcd
Subscribed ff05::abcd on interface wlan0.
Press ENTER to quit.

マルチキャスト サブスクリプションを伴う最終的なネットワーク トポロジは次のとおりです。

b118448c98b2d583.png

Thread ネットワーク内の nRF52840 End Device 1 と Wi-Fi ネットワーク内のノートパソコンの両方で IPv6 マルチキャスト アドレスをサブスクライブしました。次に、次のセクションで、双方向 IPv6 マルチキャストの到達可能性を確認します。

7. 受信 IPv6 マルチキャストを確認する

これで、Wi-Fi ネットワークの IPv6 マルチキャスト アドレス ff05::abcd を使用して、スレッド ネットワーク内の nRF52840 のデバイス 1 とノートパソコンの両方に到達できるはずです。

Wi-Fi インターフェースを介して、OTBR に ff05::abcd に ping します。

$ ping -6 -b -t 5 -I wlan0 ff05::abcd
PING ff05::abcd(ff05::abcd) from 2401:fa00:41:801:83c1:a67:ae22:5346 wlan0: 56 data bytes
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=1 ttl=64 time=57.4 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=1 ttl=64 time=84.9 ms (DUP!)
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=2 ttl=64 time=54.8 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=2 ttl=64 time=319 ms (DUP!)
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=3 ttl=64 time=57.5 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=3 ttl=64 time=239 ms (DUP!)

OTBR は、nRF52840 End Device 1 とノートパソコンの両方から 2 つの ping 応答を受信できることがわかります。どちらも ff05::abcd をサブスクライブしているためです。これは、OTBR が IPv6 Ping リクエストのマルチキャスト パケットを Wi-Fi ネットワークから Thread ネットワークに転送できることを示しています。

8. IPv6 マルチキャストの送信の確認

nRF52840 のデバイス 2 に ff05::abcd を ping します。

$ ping ff05::abcd 100 10 1
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=12 hlim=64 time=297ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=12 hlim=63 time=432ms
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=13 hlim=64 time=193ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=13 hlim=63 time=306ms
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=14 hlim=64 time=230ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=14 hlim=63 time=279ms

nRF52840 のデバイス 2 は、nRF52840 のデバイス 1 とノートパソコンの両方から ping 応答を受信できます。これは、OTBR が IPv6 Ping Reply マルチキャスト パッケージを Thread ネットワークから Wi-Fi ネットワークに転送できることを示しています。

9. 完了

これで、Thread Border Router の設定と双方向 IPv6 マルチキャストの検証が完了しました。

OpenThread の詳細については、openthread.io をご覧ください。

リファレンス ドキュメント