執行緒邊界路由器 - 執行緒 1.2 多點傳送

一、簡介

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什麼是「討論串」?

Thread 是一種以 IP 為基礎的低功率無線網狀網路通訊協定,可讓裝置和裝置和雲端之間的通訊安全無虞。執行緒網路可因應拓撲的變更,避免單點故障。

什麼是 OpenThread?

Google 發布的 OpenThread 是 Thread® 的開放原始碼實作項目。

什麼是 OpenThread 邊界路由器?

Google 發布的 OpenThread 邊界路由器 (OTBR) 是執行緒邊界路由器的開放原始碼實作。

Thread 1.2 多點傳送

執行緒 1.2 定義了一系列功能,可支援跨異網網路 (執行緒和 Wi-Fi/乙太網路網路區段) 的多點傳送功能,傳輸範圍大於當地範圍的多點位址。

執行緒 1.2 邊界路由器會註冊其骨幹路由器 (BBR) 資料集,而所選的 BBR 服務是主要骨幹路由器 (PBBR),負責對多點傳入/傳出轉送。

Thread 1.2 裝置傳送 CoAP 訊息,將多地址位址註冊至 PBBR (多點傳送監聽器註冊,簡稱 MLR),且如果位址大於本機範圍。PBBR 在其外部介面使用 MLDv2 向更廣泛的 IPv6 LAN/WAN 代表其本機 Thread 網路監聽 IPv6 多點傳輸群組。而且如果目的地至少收到一個 Thread 裝置,PBR 就只會將多播流量轉送至 Thread Network。

針對 Thread 1.2 的「終端裝置」,其子女可仰賴其上層裝置來匯總多點傳送地址,然後產生 MLR 動作;如果上層項目是 Thread 1.1,則自行註冊。

詳情請參閱會話串 1.2 規格第 5.24 節,適用於大範圍範圍 (Realm-Local Scope) 的多點轉送

建構內容

在這個程式碼研究室中,您將設定 Thread 邊界路由器和兩個 Thread 裝置,並在 Thread 裝置和 Wi-Fi 裝置上啟用並驗證多點傳送功能。

課程內容

  • 說明如何使用 Thread 1.2 Multicast 功能建構 nRF52840 韌體。
  • 如何在 Thread 裝置上訂閱 IPv6 多播地址。

軟硬體需求

  • 具備至少 8 GB 容量的 Raspberry Pi 3/4 裝置和 SD 卡。
  • 3 條北歐半導體 nRF52840 DK 電路板。
  • 沒有在路由器上啟用 IPv6 路由器通告防護機制的 Wi-Fi AP。
  • 安裝 Python3 的 Linux/macOS 筆記型電腦 (Raspberry Pi 也可使用)。

2. 設定 OTBR

按照執行緒邊界路由器 - 雙向 IPv6 連線和 DNS 服務探索 程式碼研究室的說明,在 Raspberry 上設定執行緒邊界路由器這項功能。

完成後,Raspberry Pi 應該就會建立有效的執行緒網路,並連線至 Wi-Fi 網路。

OTBR 只需幾秒就能成為主要骨幹路由器。

$ 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. 版本與 Flash Thread 裝置

使用 Multicast 建構 Thread 1.2 CLI 應用程式,並閃爍兩個 nRF52840 DK 電路板。

建構 nRF52840 DK 韌體

按照操作說明複製專案,並建構 nRF52840 韌體。

$ 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

我們在 ot-cli-ftd.hex 可以找到成功建立的 HEX 韌體。

Flash nRF52840 DK 韌體

使用 nRF52840 DK 將韌體閃爍到 nRF52840 DKnrfjprog ,不屬於nRF 指令列工具的 Google Ads 新帳戶重新申請驗證。

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

4. 將會話串裝置附加至討論串網路

OTBR 在先前的步驟中建立了討論串網路。我們現在可以將 nRF52840 DK 新增至 Thread 網路:

從 OTBR 取得原始有效資料集:

$ sudo ot-ctl dataset active -x
0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff

連接 nRF52840 DK 電路板:

$ screen /dev/ttyACM0 115200

為 nRF52840 DK 設定使用中的資料集:

> dataset set active 0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff
Done

啟動 Thread 堆疊並等待幾秒鐘,並確認裝置已成功連接:

> ifconfig up
Done
> thread start
Done
> state
child

重複上述步驟,將其他 nRF52840 DK 電路板連接到執行緒網路。

我們已成功設定 3 個 Thread 裝置的 Thread 網路:OTBR 和兩個 nRF52840 DK 電路板。

5. 設定 Wi-Fi 網路

在 OTBR 和筆記型電腦上設定 Wi-Fi 網路,讓裝置連上相同的 Wi-Fi AP。

我們可以使用 raspi-config 設定 Raspberry Pi OTBR 上的 Wi-Fi SSID 和通關密語。

最終網路拓撲如下:

5d0f36fd69ebcc9a.png

6. 訂閱 IPv6 多播位址

在 nRF52840 結束裝置 1 上訂閱 ff05::abcd:

> ipmaddr add ff05::abcd
Done

驗證 ff05::abcd 是否已成功訂閱:

> 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

訂閱筆記型電腦上的 ff05::abcd:

我們需要 Python 指令碼 subscribe6.py,才能訂閱筆記型電腦上的多播地址。

複製下方程式碼並命名為 subscribe6.py

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.')

執行 subscribe6.py 以在 Wi-Fi 網路介面上訂閱 ff05::abcd (例如 wlan0):

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

具備多播訂閱的最終網路拓撲如下:

b118448c98b2d583.png

Now 在已 在 ThreadR 的 nRF52840 End End 1 和 Wi-Fi 網路中的筆記型電腦上訂閱 IPv6 多播位址,我們將驗證以下各節中的雙向 IPv6 多點可連線性。

7. 驗證傳入 IPv6 多播

現在,我們應能透過 Wi-Fi 網路中的 IPv6 多點傳播位址 ff05::abcd 連線到 Thread 網路中的 nRF52840 結束裝置 1 和筆記型電腦。

透過 Wi-Fi 介面在 OTBR 上張貼 ff05::abcd:

$ 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!)

可以發現 OTBR 會收到「nRF52840 裝置 1」和「筆記型電腦」的兩個連線偵測 (ping) 回覆,因為兩者都訂閱了「ff05::abcd」。這表示 OTBR 可以將 Wi-Fi 網路的 IPv6 Ping 要求傳送封包轉送至 Thread 網路。

8.驗證傳出 IPv6 多播

nRF52840 裝置 2 的 Ping ff05::abcd:

$ 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 結束裝置 2 可接收來自 nRF52840 結束裝置 1 和筆記型電腦的連線偵測 (ping) 回覆。這表示 OTBR 可以將 IPv6 連線偵測 (ping) 傳送多點傳送封包從網路網路轉送至 Wi-Fi 網路。

9. 恭喜

恭喜,您已成功設定執行緒邊界路由器,並驗證雙向雙向 IPv6 多播!

如要進一步瞭解 OpenThread,請造訪 openthread.io

參考說明文件: