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Thread 邊界路由器 - 雙向 IPv6 連線和 DNS 型服務探索

1. 簡介

什麼是 Thread 邊界路由器？

Thread 是一種以 IP 為基礎的低功率無線網狀網路通訊協定，可保護裝置之間和裝置之間的通訊。Thread 網路可根據拓撲變更，避免單點故障。

Thread 邊界路由器會將 Thread 網路連至其他 IP 網路，例如 Wi-Fi 或乙太網路。Thread 網路需要邊界路由器才能連線至其他網路。Thread 邊界路由器幾乎支援下列函式：

Thread 和 Wi-Fi/乙太網路之間的雙向 IP 連線。
透過 mDNS (位於 Wi-Fi/乙太網路連結) 和 SRP (位於 Thread 網路) 進行雙向服務探索。
採用執行緒多層結構的基礎架構，透過 IP 連結合併 Thread 分區。
外部 Thread 調用器 (例如手機) 可以驗證 Thread 裝置並加入至 Thread 網路。

Google 發行的 OpenThread 邊界路由器 (OTBR) 是 Thread 邊界路由器的開放原始碼實作。

建構項目

在本程式碼研究室中，您將設定 Thread 邊界路由器，並透過邊界路由器將手機連接至 Thread 終端裝置。

課程內容

如何設定 OTBR
如何使用 OTBR 建立 Thread 網路
如何使用 SRP 功能建構 OpenThread CLI 裝置
如何透過 SRP 註冊服務
如何探索並連線到 Thread 端裝置。

軟硬體需求

一部 Raspberry Pi 3/4 裝置，以及至少具備 8 GB 能力的 SD 卡。
2 北歐半導體 nRF52840 開發板。
路由器上未啟用 IPv6 路由器通告功能的 Wi-Fi AP。
搭載至少 iOS 14 的 iOS 手機，或至少搭載 Android 8.1 的 Android 手機。

2. 設定 OTBR

設定 Raspberry Pi

只要按照 raspberrypi.org 的操作說明，使用 rpi-imager 工具輕鬆設定新的 Raspberry Pi 裝置，即可 (而不是使用最新的 Raspberry Pi OS 工具，請自行下載 2021-05-07-raspios-buster-armhf-lite)。如要完成本程式碼研究室中的手機步驟，您必須將 Raspberry Pi 連線至 Wi-Fi AP。請按照這份指南的說明設定無線連線。透過 SSH 登入 Raspberry Pi 十分方便，請參閱這裡的操作說明。

取得 OTBR 程式碼

登入 Raspberry Pi，然後從 GitHub 複製 ot-br-posix：

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

建構及安裝 OTBR

OTBR 有兩個用來啟動及設定 Thread 邊界路由器的指令碼：

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

OTBR 適用於透過 INFRA_IF_NAME 指定的 Thread 介面和基礎架構網路介面 (例如 Wi-Fi/乙太網路)。Thread 介面是由 OTBR 本身建立，名為 wpan0。如未明確指定 INFRA_IF_NAME，基礎架構介面的預設值則為 wlan0。如果使用乙太網路線連接 Raspberry Pi，請指定乙太網路介面名稱 (例如 eth0)：

$ INFRA_IF_NAME=eth0 ./script/setup

檢查 OTBR 是否已安裝成功：

$ 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 服務應該處於無效狀態，因為這需要 RCP 方塊才能運作。

重新啟動 Raspberry Pi，即可讓變更生效。

建構及刷新 RCP 韌體

OTBR 支援無線電合作處理器 (RCP) 模式下的 15.4 無線電晶片。在此模式下，OpenThread 堆疊會在主機端執行，並透過 IEEE802.15.4 收發器傳輸/接收影格。

按照「使用 nRF52840 主機板和 OpenThread 建構 Thread 網路」程式碼研究室的步驟 4，建構及刷新 nRF52840 RCP 裝置：

$ script/build nrf52840 USB_trans

啟動 OTBR 並驗證狀態

將 nRF52840 主機板連結至 Raspberry Pi 並啟動 otbr-agent 服務：

$ sudo service otbr-agent restart

確認 otbr-agent 服務已啟用：

$ 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 網路

我們提供 ot-ctl 指令來控制 otbr-agent 服務。ot-ctl 接受所有 OpenThread CLI 指令，詳情請參閱 OpenThread CLI 指南。

使用 OTBR 建立 Thread 網路：

$ 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

等待幾秒鐘，我們應該就能看到 OTBR 作為執行緒 leader 的動作，而且 Thread 網路資料中還有 off-mesh-routable (OMR) 前置字串：

$ 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. 設定 SRP 用戶端端裝置

建構及刷新 OT CLI

按照「使用 nRF52840 主機板和 OpenThread 建構 Thread 網路」程式碼研究室的步驟 5，建構及刷新 nRF52840 CLI 最終裝置。

不過，CLI 節點不需要啟用 OT_COMMISSIONER 和 OT_JOINER，而是需要 OT_SRP_CLIENT 和 OT_ECDSA 功能。

因此完整的建構作業叫用應如下所示：

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

加入 OTBR 網路

為了加入由 otbr-agent 服務建立的 Thread 網路，我們必須從 OTBR 裝置中取得有效作業資料集。讓我們返回 otbr-agent 指令列，取得使用中的資料集：

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

返回 SRP 用戶端節點畫面工作階段，並設定使用中的資料集：

> dataset set active 0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

接著啟動 Thread 介面：

> ifconfig up
Done
> thread start
Done

請等候幾秒鐘，然後確認 Thread 網路是否成功加入：

> 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

確認網路資料與 OTBR 上列印的資料相符。我們現在可以對 OTBR 的 OMR 位址進行連線偵測 (ping)：

> 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. 在終端裝置上發布服務

mDNS 可廣泛用於發布連結本機上的 DNS-SD 服務。但多點傳播訊息會耗用過多頻寬，在低電量裝置中快速耗盡電力。Thread 使用單點傳播 SRP 通訊協定向邊界路由器註冊服務，並仰賴邊界路由器透過 Wi-Fi 或乙太網路連結通告服務。

您可以使用 srp client 指令註冊服務。

前往 SRP 用戶端節點畫面工作階段，並自動啟動 SRP 用戶端：

> srp client autostart enable
Done

設定要在 Wi-Fi/乙太網路連結上通告的主機名稱：

> srp client host name ot-host
Done

如果裝置是透過 Wi-Fi/乙太網路連結連線到 Thread 端裝置，則必須通告最終裝置的 OMR 位址：

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

最後，註冊假的 _ipps._tcp 服務：

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

稍候片刻，我們應該就能看到服務註冊了：

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

我們已完成所有設定，且 _ipps._tcp 服務應已透過 Wi-Fi/乙太網路連結宣告。快來探索並觸及最終裝置吧！

6. 探索「服務」

使用手機探索服務

我們使用服務瀏覽器應用程式來探索 Android 手機上的 mDNS 服務，而在 iOS 行動裝置上也可找到同等的應用程式。開啟應用程式，_ipps._tcp 服務應該就會顯示。

使用 Linux 主機探索服務

如果您要從其他 Linux 主機探索服務，可使用 avahi-browse 指令。

安裝 avahi-daemon 和 avahi-utils：

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

解析服務：

$ 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 主機探索服務

您可以在 macOS 上使用 dns-sd 來解析服務：

$ 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. 連線偵測 (ping) 裝置端

透過手機連線偵測 (ping)

以 Pixel 手機為例，我們可以找出先前註冊服務「ot-service」的 OMR 位址列於服務瀏覽器應用程式服務執行個體的詳細資料頁面中。

我們現在可以使用其他網路分析器應用程式對 OMR 位址進行連線偵測 (ping)。

很抱歉，Android 版網路分析器應用程式的 Android 版本不支援連線偵測 (ping) 公用程式的 mDNS 查詢，因此我們無法直接對主機名稱 ot-host.local 執行連線偵測 (ping) 主機名稱 (我們可透過該應用程式的 iOS 版本對主機名稱執行連線偵測)。

從 Linux/macOS 主機進行連線偵測 (ping)

Thread 邊界路由器會傳送 ICMPv6 路由器通告 (RA)，以在 Wi-Fi/乙太網路連結上通告前置碼 (透過前置字串資訊選項) 和路徑 (透過路徑資訊選項)。

準備 Linux 主機

請務必在主機上啟用 RA 和 RIO：

如果未啟用 IP 轉送功能，net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra 至少應為 1，否則應設為 2。
net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen 不得小於 64。

大多數發行版本的 accept_ra 預設為 1。但可能還有其他網路 Daemon 會覆寫這個選項 (例如 Raspberry Pi 上的 dhcpcd 會將 accept_ra 覆寫為 0)。您可以使用下列指令檢查 accept_ra 值：

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

然後將值設為 1 (如果已啟用 IP 轉送功能則為 2)：

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

多數 Linux 發行版的 accept_ra_rt_info_max_plen 選項預設為 0，並採用下列方式設為 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

重新啟動主機後，變更將會遺失。舉例來說，將下列指令附加至 /etc/sysctl.conf 即可永久啟用 RIO：

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

為更改這些設定，該設定可能太晚了，因為 OTBR 已經傳送 RA 訊息，而兩次來路不明的 RA 訊息之間的間隔時間可能長達數百秒。其中一種方法是中斷連結再重新連上 Wi-Fi AP，藉此傳送路由器 Soli 訊息，以便 OTBR 將要求 RA 回應。另一個選項是在邊界路由器上重新啟動邊界路由功能：

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

如要重新連上 Wi-Fi 或重新啟動乙太網路介面，請確認未使用「dhcpcd」dhcpcd管理 Wi-Fi/乙太網路 IPv6 網路。由於 dhcpcd 一律會在介面重新啟動時覆寫 accept_ra 選項，因此 accept_ra 設定將會遺失。將以下幾行附加至 dhcpcd 設定檔 (例如 /etc/dhcpcd.conf)，即可明確停用 dhcpcd 中的 IPv6：

noipv6
noipv6rs

需要重新啟動，變更才會生效。

準備 macOS 主機

這兩個 accept_ra* 選項預設為啟用，但至少須將系統升級至 macOS Big Sur。

對主機名稱或 IPv6 位址進行連線偵測 (ping)

我們現在可以使用 ping -6 指令 (macOS 為 ping6) 對主機名稱 ot-host.local 進行連線偵測 (ping)：

$ 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
...

如果 Linux 主機出現 "Name or service not known" 錯誤，這個指令可能會失敗。這是因為 ping 指令無法透過 mDNS 查詢解析 ot-host.local. 名稱。開啟 /etc/nsswitch.conf，然後在開頭加上 hosts 的 mdns6_minimal：

hosts:          files mdns4_minimal mdns6_minimal dns

當然，您隨時可以直接對 IPv6 位址進行連線偵測 (ping)：

$ 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. 結束裝置發布服務

如何移除從 SRP 用戶端節點註冊的地址和服務：

> srp client host remove
Done

您現在不應找到 _ipps._tcp 服務。

9. 恭喜

恭喜，您已成功將 OTBR 設為 Thread 邊界路由器，以便為 Thread 端裝置提供雙向 IP 連線和服務探索功能。

後續步驟

查看一些程式碼研究室…

使用 nRF52840 主機板和 OpenThread 建構 Thread 網路