线程边界路由器 - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现

1. 简介

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什么是线程边界路由器？

Thread 是一种基于 IP 的低功耗无线网状网络协议，支持安全的设备到设备和设备到云通信。线程网络可以适应拓扑变化，以避免单点故障。

Thread Border Router 可将 Thread 网络连接到其他基于 IP 的网络，例如 Wi-Fi 或以太网。Thread 网络要求边界路由器连接到其他网络。线程边界路由器至少支持以下函数：

  • Thread 和 Wi-Fi/以太网网络之间的双向 IP 连接。
  • 通过 mDNS（通过 Wi-Fi/以太网链路）和 SRP（在 Thread 网络上）进行双向服务发现。
  • 基于 IP 的链路合并 Thread 分区的 Thread-over-基础架构。
  • 外部线程调试（例如手机），用于验证 Thread 设备并将其加入 Thread 网络。

Google 发布的 OpenThread 边界路由器 (OTBR) 是线程边界路由器的开源实现。

构建内容

在此 Codelab 中，您将设置 Thread 边界路由器，并通过边界路由器将手机连接到 Thread 终端设备。

学习内容

  • 如何设置 OTBR
  • 如何通过 OTBR 构建 Thread 网络
  • 如何构建具有 SRP 功能的 OpenThread CLI 设备
  • 如何通过 SRP 注册服务
  • 如何发现和访问 Thread 终端设备。

所需条件

  • 一部 Raspberry Pi 3/4 设备和一张至少具有 8 GB 性能的 SD 卡。
  • 2 块北欧半导体 nRF52840 开发板。
  • 路由器上未启用 IPv6 Router Advertisement Guard 的 Wi-Fi AP。
  • 搭载 iOS 14 或更高版本的 iOS 手机或搭载 Android 8.1 或更高版本的 Android 手机。

2. 设置 OTBR

设置 Raspberry Pi

按照 raspberrypi.org 上的说明，使用 rpi-imager 工具设置全新的 Raspberry Pi 设备非常简单（无需在该工具中使用最新的 Raspberry Pi 操作系统，请自行下载 2021-05-07-raspios-buster-armhf-lite）。为了完成此 Codelab 中的手机步骤，您需要将 Raspberry Pi 连接到 Wi-Fi AP。请按照此指南设置无线连接。使用 SSH 登录 Raspberry Pi 比较方便，您可以在此处找到相关说明。

获取 OTBR 代码

登录您的 Raspberry Pi 并从 GitHub 克隆 ot-br-posix：

$ git clone https://github.com/openthread/ot-br-posix.git --depth 1

构建和安装 OTBR

OTBR 有两个用于引导和设置线程边界路由器的脚本：

$ cd ot-br-posix
$ ./script/bootstrap
$ INFRA_IF_NAME=wlan0 ./script/setup

OTBR 适用于通过 INFRA_IF_NAME 指定的 Thread 接口和基础架构网络接口（例如 Wi-Fi/以太网）。Thread 接口由 OTBR 本身创建，默认命名为 wpan0。如果未明确指定 INFRA_IF_NAME，则基础架构接口的默认值为 wlan0。如果您的 Raspberry Pi 是通过以太网网线连接的，请指定以太网接口名称（例如 eth0）：

$ INFRA_IF_NAME=eth0 ./script/setup

检查 OTBR 是否已成功安装：

$ sudo service otbr-agent status
● otbr-agent.service - Border Router Agent
   Loaded: loaded (/lib/systemd/system/otbr-agent.service; enabled; vendor preset: enabled)
   Active: activating (auto-restart) (Result: exit-code) since Mon 2021-03-01 05:43:38 GMT; 2s ago
  Process: 2444 ExecStart=/usr/sbin/otbr-agent $OTBR_AGENT_OPTS (code=exited, status=2)
 Main PID: 2444 (code=exited, status=2)

otbr-agent 服务应未处于活跃状态，因为它需要 RCP 芯片才能运行。

重新启动 Raspberry Pi 以使更改生效。

构建并刷写 RCP 固件

OTBR 在无线装置协同处理器 (RCP) 模式下支持 15.4 无线装置芯片。在此模式下，OpenThread 堆栈在主机端运行，并通过 IEEE802.15.4 收发器发送/接收帧。

按照 Build a Thread network with nRF52840 boards and OpenThread Codelab 中的第 4 步构建并刷写 nRF52840 RCP 设备：

$ script/build nrf52840 USB_trans

启动 OTBR 并验证状态

将 nRF52840 开发板连接到 Raspberry Pi 并启动 otbr-agent 服务：

$ sudo service otbr-agent restart

验证 otbr-agent 服务是否处于活跃状态：

$ sudo service otbr-agent status
● otbr-agent.service - Border Router Agent
   Loaded: loaded (/lib/systemd/system/otbr-agent.service; enabled; vendor preset: enabled)
   Active: active (running) since Mon 2021-03-01 05:46:26 GMT; 2s ago
 Main PID: 2997 (otbr-agent)
    Tasks: 1 (limit: 4915)
   CGroup: /system.slice/otbr-agent.service
           └─2997 /usr/sbin/otbr-agent -I wpan0 -B wlan0 spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0

Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Stop publishing service
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [adproxy] Stopped
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: PSKc is not initialized
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Check if PSKc is initialized: OK
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Initialize OpenThread Border Router Agent: OK
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Border router agent started.
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [INFO]-CORE----: Notifier: StateChanged (0x00038200) [NetData PanId NetName ExtPanId]
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [INFO]-PLAT----: Host netif is down

3. 建立 Thread 网络

ot-ctl 命令可用于控制 otbr-agent 服务。ot-ctl 接受所有 OpenThread CLI 命令，请参阅 OpenThread CLI 指南了解详情。

通过 OTBR 构建 Thread 网络：

$ sudo ot-ctl dataset init new
Done
$ sudo ot-ctl dataset commit active
Done
$ sudo ot-ctl ifconfig up
Done
$ sudo ot-ctl thread start
Done

等待几秒钟，我们应该能够看到 OTBR 充当线程 leader，并且 Thread 网络数据中有一个 off-mesh-routable (OMR) 前缀：

$ sudo ot-ctl state
leader
Done
$ sudo ot-ctl netdata show
Prefixes:
Prefixes:
fd76:a5d1:fcb0:1707::/64 paos med 4000
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 4000
Services:
44970 5d c000 s 4000
44970 01 9a04b000000e10 s 4000
Done
$ sudo ot-ctl ipaddr      
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc11
fda8:5ce9:df1e:6620:0:0:0:fc38
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc10
fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc00
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:4000
fda8:5ce9:df1e:6620:3593:acfc:10db:1a8d
fe80:0:0:0:a6:301c:3e9f:2f5b
Done

4. 设置 SRP 客户端终端设备

构建并刷写 OT CLI

按照使用 nRF52840 开发板和 OpenThread Codelab 构建 Thread 网络第 5 步，构建并刷写 nRF52840 CLI 终端设备。

但是，CLI 节点需要 OT_SRP_CLIENT 和 OT_ECDSA 功能，而不是启用 OT_COMMISSIONER 和 OT_JOINER。

因此，完整的构建调用应如下所示：

$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_SRP_CLIENT=ON -DOT_ECDSA=ON

加入 OTBR 网络

如需加入由 otbr-agent 服务创建的 Thread 网络，我们需要从 OTBR 设备获取活跃操作数据集。让我们返回 otbr-agent 命令行并获取活跃数据集：

$ sudo ot-ctl dataset active -x
0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

返回到 SRP 客户端节点屏幕会话，并设置活跃数据集：

> dataset set active 0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

然后，启动 Thread 接口：

> ifconfig up
Done
> thread start
Done

等待几秒钟，并验证加入 Thread 网络是否成功：

> state
child
Done
> netdata show
Prefixes:
fd76:a5d1:fcb0:1707::/64 paos med 4000
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 4000
Services:
44970 5d c000 s 4000
44970 01 9a04b000000e10 s 4000
Done
> ipaddr
fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:4001
fda8:5ce9:df1e:6620:ed74:123:cc5d:74ba
fe80:0:0:0:d4a9:39a0:abce:b02e
Done

请确保网络数据与印在 OTBR 上的数据一致。我们现在可以 ping OTBR 的 OMR 地址：

> ping fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9
Done
> 16 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9: icmp_seq=1 hlim=64 time=49ms

5. 在最终设备上发布服务

mDNS 已广泛用于在链路本地上发布 DNS-SD 服务。但是多播消息会消耗过多带宽，并且很快就会耗尽低功耗设备的电池电量。Thread 使用单播 SRP 协议向边界路由器注册其服务，并依赖边界路由器通过 Wi-Fi 或以太网链路通告服务。

我们可以使用 srp client 命令注册服务。

前往 SRP 客户端节点屏幕会话，并自动启动 SRP 客户端：

> srp client autostart enable
Done

设置将通过 Wi-Fi/以太网链路通告的主机名：

> srp client host name ot-host
Done

为了让通过 Wi-Fi/以太网链路的设备连接到 Thread 终端设备，需要通告该终端设备的 OMR 地址：

> srp client host address fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
Done

最后，注册一项虚构 _ipps._tcp 服务：

> srp client service add ot-service _ipps._tcp 12345
Done

等待几秒钟，我们应该能够看到已注册的服务：

> srp client service
instance:"ot-service", name:"_ipps._tcp", state:Registered, port:12345, priority:0, weight:0
Done

我们已完成所有设置工作，应该已经通过 Wi-Fi/以太网链路通告了 _ipps._tcp 服务。是时候探索并到达最终设备了！

6. 探索 Service

通过手机探索该服务

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我们使用服务浏览器应用来发现 Android 手机上的 mDNS 服务，您也可以在 iOS 移动设备上找到等效应用。打开该应用后，系统应该会显示 _ipps._tcp 服务。

使用 Linux 主机发现服务

如果要从其他 Linux 主机发现该服务，您可以使用 avahi-browse 命令。

安装 avahi-daemon 和 avahi-utils：

$ sudo apt-get install -y avahi-daemon avahi-utils

解析服务：

$ sudo service avahi-daemon start # Ensure the avahi daemon is started.
$ avahi-browse -r _ipps._tcp
+ wlan0 IPv6 ot-service                                    Secure Internet Printer local
= wlan0 IPv6 ot-service                                    Secure Internet Printer local
   hostname = [ot-host.local]
   address = [fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927]
   port = [12345]
   txt = []
...

使用 macOS 主机发现服务

您可以在 macOS 上使用 dns-sd 来解析该服务：

$ dns-sd -Z _ipps._tcp local.
Browsing for _ipps._tcp.local.
DATE: ---Sun 14 Mar 2021---
21:31:42.125  ...STARTING...

; To direct clients to browse a different domain, substitute that domain in place of '@'
lb._dns-sd._udp                                 PTR     @

; In the list of services below, the SRV records will typically reference dot-local Multicast DNS names.
; When transferring this zone file data to your unicast DNS server, you'll need to replace those dot-local
; names with the correct fully-qualified (unicast) domain name of the target host offering the service.

_ipps._tcp                                      PTR     ot-service._ipps._tcp
ot-service._ipps._tcp                           SRV     0 0 12345 ot-host.local. ; Replace with unicast FQDN of target host
ot-service._ipps._tcp                           TXT     ""
...

7. Ping 最终设备

通过手机执行 ping 操作

以 Pixel 手机为例，我们可以找出之前注册的服务“ot-service”的 OMR 地址。

bb992962e68d250b.png 888daa1df1e1a9bf.png

现在，我们可以使用另一个 Network Analyzer 应用 ping OMR 地址。

遗憾的是，Android 版网络分析器应用不支持 ping 实用程序的 mDNS 查询，并且我们无法直接对主机名 ot-host.local 执行 ping 操作（我们可以使用该应用的 iOS 版本对主机名执行 ping 操作）。

从 Linux/macOS 主机执行 ping 操作

线程边界路由器会发送 ICMPv6 路由器通告 (RA)，以便在 Wi-Fi/以太网链路上通告前缀（通过前缀信息选项）和路由（通过路由信息选项）。

准备 Linux 主机

请务必在您的主机上启用 RA 和 RIO：

  1. 如果未启用 IP 转发，net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra 应至少为 1，否则为 2。
  2. “net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen”不得小于 64。

对于大多数发行版，accept_ra 默认为 1。但可能会有其他网络守护程序替换此选项（例如，Raspberry Pi 上的 dhcpcd 会将 accept_ra 替换成 0）。您可以使用以下命令检查 accept_ra 值：

$ sudo sysctl -n net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra
0

并将值设置为 1（如果启用了 IP 转发，则为 2），请使用以下命令：

$ sudo sysctl -w net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra=1
Net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra = 1

在大多数 Linux 发行版上，accept_ra_rt_info_max_plen 选项默认为 0，请使用以下命令将其设置为 64：

$ sudo sysctl -w net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen=64
net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen = 64

重新启动主机后，更改将会丢失。例如，将以下命令附加到 /etc/sysctl.conf 以永久启用 RIO：

$ net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen = 64

现在更改这些配置可能为时已晚，因为 OTBR 已经在发送 RA 消息，并且两条未经请求的 RA 消息之间的间隔可能是几百秒。一种方法是断开 Wi-Fi AP 的连接并重新连接到 Wi-Fi AP 以发送路由器请求消息，这样 OTBR 会使用应求 RA 进行响应。另一种方法是在边界路由器上重启边界路由功能：

$ sudo ot-ctl br disable
Done
$ sudo ot-ctl br enable
Done

如果您正在尝试重新连接 Wi-Fi 或重新启动以太网接口，请确保未使用 dhcpcd 来管理您的 Wi-Fi/以太网 IPv6 网络。因为每次重启接口时，dhcpcd 都会替换 accept_ra 选项，而您的 accept_ra 配置将会丢失。将以下几行内容附加到 dhcpcd 配置文件（例如 /etc/dhcpcd.conf）中，以明确停用 dhcpcd 中的 IPv6：

noipv6
noipv6rs

您需要重新启动，才能使更改生效。

准备 macOS 主机

这两个 accept_ra* 选项默认处于启用状态，但您需要将系统至少升级到 macOS Big Sur。

Ping 主机名或 IPv6 地址

现在，我们可以使用命令 ping -6（在 macOS 上为 ping6）对主机名 ot-host.local 进行 ping 操作：

$ ping -6 ot-host.local.
PING ot-host.local.(fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927)) 56 data bytes
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=1 ttl=63 time=170 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=2 ttl=63 time=64.2 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=3 ttl=63 time=22.8 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=4 ttl=63 time=37.7 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=5 ttl=63 time=28.7 ms
...

在 Linux 主机上，此命令可能会失败并显示 "Name or service not known" 错误。这是因为 ping 命令不会使用 mDNS 查询解析 ot-host.local. 名称。打开 /etc/nsswitch.conf 并将 mdns6_minimal 添加到以 hosts 开头的行：

hosts:          files mdns4_minimal mdns6_minimal dns

当然，您可以随时直接 ping IPv6 地址：

$ ping -6 fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
PING fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927(fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927) 56 data bytes
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=1 ttl=63 time=32.9 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=2 ttl=63 time=27.8 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=3 ttl=63 time=29.9 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=4 ttl=63 time=73.5 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=5 ttl=63 time=26.4 ms
...

8. 为最终设备取消发布服务

要移除从 SRP 客户端节点注册的地址和服务，请执行以下操作：

> srp client host remove
Done

您现在应该无法发现 _ipps._tcp 服务。

9. 恭喜

恭喜！您已成功将 OTBR 设置为线程边界路由器，以便为 Thread 终端设备提供双向 IP 连接和服务发现。

后续操作

查看下列 Codelab…

参考文档