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使用 OTNS 模拟线程网络

1. 简介

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什么是线程和 OTNS

Thread 是一种基于 IP 的低功耗无线网格网络协议,可实现从设备到设备的安全通信,以及设备到云的通信。线程网络可以适应拓扑变化,以避免单点故障。

Google 发布的 OpenThread 是 Thread 的开源实现。虽然线程占用的空间较小且占用的内存较少,但 OpenThread 支持线程规范中定义的所有功能。

OpenThread Network Simulator (OTNS) 可用于在 posix 平台上运行模拟 OpenThread 节点来模拟线程网络。OTNS 提供了一个易于使用的网页界面 (OTNS-Web),用于直观呈现和运营模拟线程网络。

学习内容

  • 安装 OTNS 及其依赖项
  • 构建适用于 OTNS 的 OpenThread
  • 如何在 OTNS-Web 中添加/移动/删除节点
  • 使用 OTNS-Web 的其他实用功能进行网络模拟
  • 验证 OpenThread 的无单点故障

本 Codelab 重点介绍 OTNS-CLI 和 OTNS-Web。未涵盖 OTNS 的其他功能,例如 Python 脚本。

所需条件

  • Linux x86_64 或 Mac OS。
  • Git
  • Go 1.11+
  • 网络浏览器。OTNS-Web 使用网络浏览器来显示模拟。
  • Thread Primer。您需要了解线程的基本概念,以便了解此 Codelab 所学的内容。

2. 安装

安装 Go

OTNS 需要 Go 1.11+ 才能进行构建。

  1. https://golang.org/dl/ 安装 Go
  2. $(go env GOPATH)/bin(通常为 $HOME/go/bin)添加到 $PATH
$ export PATH=$PATH:$(go env GOPATH)/bin

获取 OTNS 代码

$ git clone https://github.com/openthread/ot-ns.git ./otns
$ cd otns

安装依赖项

$ ./script/install-deps
grpcwebproxy installed: /usr/local/google/home/simonlin/go/bin/grpcwebproxy

系统可能会要求您输入 sudo 的密码。

安装 otns

otns 安装到 $GOPATH/bin

$ ./script/install
otns installed: /usr/local/google/home/simonlin/go/bin/otns

检查 otns 是否已正确安装

  1. 运行 which otns 以检查 otns 可执行文件是否可在 $PATH. 中搜索
  2. 如果找不到 otns 命令,请确认您已将 $(go env GOPATH)/bin 添加到 $PATH.

3.构建适用于 OTNS 的 OpenThread

从 GitHub 获取 OpenThread 代码

$ mkdir -p ~/src
$ git clone https://github.com/openthread/openthread ~/src/openthread

使用 OTNS=1 构建 OpenThread

$ cd ~/src/openthread
$ ./script/bootstrap
$ ./bootstrap
$ make -f examples/Makefile-simulation OTNS=1

您可以在 output 目录中找到 OpenThread 可执行文件:

Linux

$ ls ~/src/openthread/output/simulation/bin
ot-cli-ftd        ot-cli-mtd        ot-ncp-ftd        ot-ncp-mtd        ot-rcp

macOS

$ ls ~/src/openthread/output/simulation/bin
ot-cli-ftd        ot-cli-mtd        ot-ncp-ftd        ot-ncp-mtd        ot-rcp

现在是运行 OTNS 的时候了...

4.运行 OTNS

运行 otns

$ cd ~/src/openthread/output/simulation/bin
$ otns
> ← OTNS-CLI prompt

成功启动后,OTNS 将进入 CLI 控制台 (OTNS-CLI) 并启动网络浏览器以进行网络可视化和管理 (OTNS-Web):

a0e05178d66929b1.png

如果您只能看到 OTNS-Web 的空白页,可能是因为您的浏览器未启用 WebGL。如需了解如何启用 WebGL,请参阅https://superuser.com/a/836833

在以下部分中,您将学习如何通过 OTNS-CLIOTNS-Web 管理 OTNS 模拟。

5. 了解 OTNS-CLI 和 OTNS-Web

OTNS-CLI

OTNS-CLI 提供用于管理 OTNS 模拟的命令行界面 (CLI)。

$ cd ~/src/openthread/output/simulation/bin
$ otns
> ← OTNS-CLI prompt

您可以通过 OTNS-CLI 输入命令。如需查看完整的命令列表,请参阅 OTNS CLI 参考。不用担心,在此 Codelab 中您只会使用其中的几个命令。

OTNS-Web

OTNS-Web 是 OTNS 的网络可视化和管理工具。它直观显示了模拟线程网络的节点、消息和链接。请注意 OTNS-Web 的各种元素:

4c5b43509a2ca0d0.png

6.添加节点

通过 OTNS-CLI 添加节点

在位置 (300, 100) 处添加路由器

> add router x 300 y 100
1
Done

您应该会看到在 OTNS-Web 中创建的节点。该节点最初作为路由器启动,并在几秒钟内成为主节点:

6ca8c2e63ed9818d.png

通过 OTNS-CLI 添加更多节点

> add fed x 200 y 100
2
Done
> add med x 400 y 100
3
Done
> add sed x 300 y 200
4
Done

等待几秒钟,以使节点合并到一个分区中。您应该会看到 OTNS-WEB 中的节点:

3ee67903c01aa612.png

通过 OTNS-Web 添加节点

您也可以通过 OTNS-Web 添加节点。点击 Action BarNew Router 按钮。您应该会在 New Router 按钮正上方看到一个节点。将节点拖动到通过 OTNS-CLI 创建的主节点附近。所有节点最终应合并到一个分区中:

420258bb92561146.png

同时还点击操作栏上的 FED、MED 和 SED 按钮以创建其他类型的节点。将它们拖动到靠近现有节点的位置,以将它们附加到该线程网络:

fe15d6f9726a099e.png

现在,您已经创建了一个包含许多节点的分区的线程网络。在下一部分中,我们将调整模拟速度,以加快模拟运行速度。

7. 调整速度

目前,模拟应以 1X 的速度运行,这意味着到目前为止的模拟时间与自创建第一个节点以来的实际时间相同。

通过OTNS-CLI调整速度

您可以通过 OTNS-CLI 调整模拟速度。

将模拟速度设为 100X

> speed 100
Done

您应该会看到节点发送消息的频率比以前要高得多。

将模拟速度设为 MAX

> speed max
Done

现在,OTNS 正尽力尽快进行模拟,因此您应该会看到节点发送了大量消息。

暂停模拟

> speed 0
Done

将模拟速度设置为 0 会暂停模拟。

以正常速度恢复模拟

> speed 1
Done

将模拟速度设置为大于 0 的值即可继续模拟。

通过OTNS-Web调整速度

速度控制按钮

找到Action Bar上的速度控制按钮 9329157c1bd12672.png。这些按钮会显示当前的模拟速度,可用于调整模拟速度以及暂停/恢复模拟。

加速模拟

您可以点击 39b88331779277ad.png 按钮加速,直至速度达到 MAXf5f460b2586d299b.png

放慢模拟速度

您可以通过点击 31cca8d5b52fa900.png 按钮放慢模拟速度。

暂停模拟

点击 46cc2088c9aa7ab6.png 按钮可在运行模拟时暂停模拟。该按钮将更改为 ce25eda3496ffcd4.png

继续模拟

点击 ce25eda3496ffcd4.png 按钮可在模拟暂停时继续模拟。该按钮将变回 46cc2088c9aa7ab6.png

将模拟速度设为 10X

为了节省时间,请使用

OTNS-CLI 可将模拟速度调整为

10X ,以便我们可以更快地观察网络的拓扑更改。

> speed 10
Done

8. 打开/关闭电台

现在,模拟应包含 2 个路由器(六边形)和许多子项,并以 10 倍的速度运行。

找到 2 个路由器的当前领导者(红色边框),点击一下即可选中该路由器:

8c6a2e191cdae0c7.png

关闭无线通信

点击操作栏上的 7ca085f470491dd4.png 按钮,关闭主节点的单选按钮:

a3bf58d9d125f95f.png

领先者将无法通过无线装置收发消息。

等待大约 12 秒(模拟时间为 120 秒),让另一个路由器成为新的主节点:

e3d32f85c4a1b990.png

通过与新的 Leader 建立新分区,Thread 网络自动从 Leader 故障恢复。新分区还设置了新的分区颜色。

打开无线通信

选择已停用电台的主管。点击 Action Bar 上的 2d9cecb8612b42aa.png 按钮,恢复无线连接:

7370a7841861aa3a.png

无线连接恢复后,主要副本应重新连接到网络。

9. 移动节点

OTNS 可让用户通过 OTNS-CLIOTNS-Web 轻松移动节点。

通过 OTNS-CLI 移动节点

将节点 5 移动到新位置:

> move 5 600 300
Done

由于节点 5 远离另一个路由器,因此它们应该彼此失去连接,在大约 12 秒(模拟时间 120 秒)后,它们都将成为各自分区的主节点:

c06b4d0a4f183299.png

通过 OTNS-Web 移动节点

通过拖动将节点 5 移回原始位置。这两个分区应合并为一个分区:

9ba305c4c5a5f892.png

10. 删除节点

通过 OTNS-CLI 删除节点

删除节点 8:

> del 8
Done

节点 8 应该在模拟时消失:

18156770d9f8bf83.png

通过 OTNS-Web 删除节点

选择节点 5,然后点击 Action Bar 上的 7ff6afd565f4eafc.png 按钮以删除节点 5:

d4079cceea0105f0.png

Node 1 应成为领导者,并且 Node 7 应分离,因为其无法连接到任何路由器。

清除模拟(删除所有节点)

您可以通过 OTNS-Web 删除所有节点来清除模拟。

点击“Action Bar.”上的 89618191721e79a0.png 按钮。所有节点将立即消失。

在继续操作之前...

自行为模拟添加一些节点,以便您继续本教程。

11. OTNS-CLI 节点上下文

OTNS-CLI 提供节点上下文模式,以便与节点轻松交互,从而帮助开发者诊断节点状态。

进入节点上下文模式

输入节点 1 的节点上下文:

> node 1
Done
node 1>

CLI 提示已更改为 node 1>,指示当前节点上下文。您可以输入 OpenThread CLI 命令以在节点上执行,就像直接与节点互动一样。

在节点上下文中执行命令

node 1> state
leader
Done
node 1> channel
11
Done
node 1> panid
0xface
Done
node 1> networkname
OpenThread
Done
node 1> ipaddr
fdde:ad00:beef:0:0:ff:fe00:fc00
fdde:ad00:beef:0:0:ff:fe00:d800
fdde:ad00:beef:0:2175:8a67:1000:6352
fe80:0:0:0:2075:82c2:e9e9:781d
Done

切换到其他节点上下文

node 1> node 2
Done
node 2> 

退出节点上下文

node 1> exit
Done
>

12. 恭喜

恭喜,您已成功执行第一次 OTNS 模拟!

您已经学习了如何安装 OTNS 及其依赖项。您为 OTNS 构建了 OpenThread,并使用 OpenThread 模拟实例开始了 OTNS 模拟。您已经了解了如何通过 OTNS-CLIOTNS-Web 以各种方式操纵模拟。

现在,您已经了解了 OTNS 是什么,以及如何使用 OTNS 模拟 OpenThread 网络。

后续步骤

查看下列 Codelab…

参考文档