使用 OTNS 模擬 Thread 網路

1. 簡介

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什麼是 Thread 和延長賽

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。

Google 發布的 OpenThread 是 Thread 的開放原始碼實作模式。雖然 OpenThread 的程式碼大小和記憶體用量較小，仍支援執行緒規格中定義的所有功能。

OpenThread 網路模擬工具 (OTNS) 可在 posix 平台上執行模擬 OpenThread 節點，以模擬 Thread 網路。OTNS 提供易於使用的網路介面 (OTNS-Web)，以視覺化方式呈現模擬的 Thread 網路，並執行相關作業。

課程內容

  • 安裝 OTNS 及其依附元件
  • 為 OTNS 建構 OpenThread
  • 如何在 OTNS-Web 中新增/移動/刪除節點
  • 使用 OTNS-Web 的其他實用功能進行網路模擬
  • 確認 OpenThread 無單點故障

本程式碼研究室著重於 OTNS-CLI 和 OTNS-Web。但不支援 OTNS 的其他功能，例如 Python 指令碼。

軟硬體需求

  • Linux x86_64 或 Mac OS。
  • Git。
  • Go 1.13 以上版本。
  • 網路瀏覽器。OTNS-Web 使用網路瀏覽器顯示模擬結果。
  • Thread Primer：您需要瞭解 Thread 的基本概念，才能瞭解本程式碼研究室的內容。

2. 安裝方式

安裝 Go

OTNS 需要 Go 1.13 以上版本才能建構。

  1. 前往 https://golang.org/dl/ 安裝 Go
  2. 將 $(go env GOPATH)/bin (通常為 $HOME/go/bin) 新增至 $PATH：
$ export PATH=$PATH:$(go env GOPATH)/bin

取得 OTNS 代碼

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

安裝依附元件

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

系統可能會要求您輸入 sudo 的密碼。

安裝 otns

將 otns 安裝到 $GOPATH/bin：

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

請檢查 otns 是否已正確安裝

  1. 執行 which otns，檢查 otns 執行檔是否可在 $PATH. 中搜尋
  2. 如果找不到 otns 指令，請確認您已將 $(go env GOPATH)/bin 新增至 $PATH.

3. 為 OTNS 建構 OpenThread

從 GitHub 取得 OpenThread 程式碼

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

使用 OTNS=1 建構 OpenThread

$ cd ~/src/openthread
$ ./script/cmake-build simulation -DOT_OTNS=ON -DOT_SIMULATION_VIRTUAL_TIME=ON -DOT_SIMULATION_VIRTUAL_TIME_UART=ON -DOT_SIMULATION_MAX_NETWORK_SIZE=999

您可以在 build 目錄中找到 OpenThread 執行檔：

$ ls ~/src/openthread/build/simulation/examples/apps/cli/
ot-cli-ftd        ot-cli-mtd        ot-cli-radio

現在該執行 OTNS 了...

4. 執行 OTNS

執行 otns：

$ cd ~/src/openthread/build/simulation/examples/apps/cli
$ otns
> ← OTNS-CLI prompt

成功啟動後，OTNS 會進入 CLI 控制台 (OTNS-CLI)，並啟動網路瀏覽器來啟用網路視覺呈現及管理 (OTNS-Web)：

a0e05178d66929b1.png

如果只看到 OTNS-Web 的空白頁面，表示您的瀏覽器可能未啟用 WebGL。如要瞭解如何啟用 WebGL，請參閱https://superuser.com/a/836833 。

以下各節將說明如何透過 OTNS-CLI 和 OTNS-Web 管理 OTNS 模擬作業。

5. 認識 OTNS-CLI 和OTNS 網站

OTNS-CLI

OTNS-CLI 提供用於管理 OTNS 模擬的命令列介面 (CLI)。

$ cd ~/src/openthread/build/simulation/examples/apps/cli
$ otns
> ← OTNS-CLI prompt

您可以透過 OTNS-CLI 輸入指令。如需完整的指令清單，請參閱 OTNS CLI 參考資料。別擔心，您只需要在本程式碼研究室中使用其中幾個指令。

OTNS 網站

OTNS-Web 是 OTNS 的網路視覺化與管理工具。這個模型以視覺化的方式呈現模擬的 Thread 網路的節點、訊息和連結。請注意 OTNS-Web 的各種元素：

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6. 新增節點

透過 OTNS-CLI 新增節點

在位置 (300, 100) 新增路由器

> add router x 300 y 100
1
Done

您應該會看到在 OTNS-Web 中建立的節點。節點會以路由器的形式啟動，並在幾秒後成為領導者：

6ca8c2e63ed9818d.png

透過 OTNS-CLI 新增更多節點

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

等待幾秒鐘，讓節點合併至一個分區。您應該會在 OTNS-WEB 中看到節點：

3ee67903c01aa612.png

依據「OTNS-Web」新增節點

您也可以透過 OTNS-Web 新增節點。按一下 Action Bar 的 New Router 按鈕。您應該會在 New Router 按鈕的正上方看到已建立的節點。將節點拖曳到您透過 OTNS-CLI 建立的領導者附近。所有節點最終應合併至一個分區：

420258bb92561146.png

此外，也可以點選動作列中的 FED、MED 和 SED 按鈕，建立其他類型的節點。將節點拖曳到現有節點附近，即可連接至 Thread 網路：

fe15d6f9726a099e.png

現在，您在單一分區建立了 Thread 網路，當中包含多個節點。在下一節中，我們將調整模擬速度來加快模擬的執行速度。

7. 調整速度

模擬作業目前應以 1X 速度執行，也就是說，到目前為止的模擬時間，與建立第一個節點後的實際時間相同。

透過「OTNS-CLI」調整速度

你可以透過 OTNS-CLI 調整模擬速度。

將模擬速度設為 100X

> speed 100
Done

您會發現節點傳送訊息的頻率比之前高。

將模擬速度設為 MAX

> speed max
Done

現在，OTNS 會盡可能快速模擬，因此您應該會看到節點傳送大量訊息。

暫停模擬

> speed 0
Done

將模擬速度設為 0 會暫停模擬。

以正常速度還原模擬結果

> speed 1
Done

如果將模擬速度設為大於 0 的值，系統就會繼續執行模擬作業。

透過「OTNS-Web」調整速度

速度控制按鈕

找出 Action Bar 上的速度控制按鈕 9329157c1bd12672.png。按鈕會顯示目前的模擬速度，且可用來調整模擬速度及暫停/繼續模擬。

加快模擬速度

點選 39b88331779277ad.png 按鈕可加快模擬速度，直到速度達到 MAX：f5f460b2586d299b.png 為止。

減緩模擬速度

如要降低模擬速度，請點選「31cca8d5b52fa900.png」按鈕。

暫停模擬

按一下 46cc2088c9aa7ab6.png 按鈕，即可在執行期間暫停模擬。這個按鈕會變更為「ce25eda3496ffcd4.png」。

繼續執行模擬作業

按一下 ce25eda3496ffcd4.png 按鈕，即可在暫停時繼續模擬。這個按鈕會改回「46cc2088c9aa7ab6.png」。

將模擬速度設為 10X

為節省時間，建議使用

OTNS-CLI ，將模擬速度調整為

10X 可讓我們更快觀察網路中的拓撲變化。

> speed 10
Done

8. 開啟/關閉電台

現在，模擬作業應包含 2 個路由器 (六邊形) 和多個子項，且以 10 倍速度執行。

找出 2 個路由器目前的領導者 (紅色框線)，按一下即可選取：

8c6a2e191cdae0c7.png

關閉無線通訊

點選動作列中的 7ca085f470491dd4.png 按鈕，關閉「主要」節點的圓形按鈕：

a3bf58d9d125f95f.png

領導者將無法在圓形按鈕關閉的情況下收發訊息。

等待約 12 秒 (模擬時間為 120 秒)，讓另一個路由器成為新的領導者：

e3d32f85c4a1b990.png

Thread 網路會在主管失敗後自動復原，方法是與新的領導者組成新的分區。新的分區顏色也有新的分區顏色。

開啟無線通訊

選取無線電已關閉的領導者。點選 Action Bar 上的 2d9cecb8612b42aa.png 按鈕，恢復連線能力：

7370a7841861aa3a.png

恢復連線後，領導者應重新連接到網路。

9. 移動節點

OTNS 可讓使用者輕鬆透過 OTNS-CLI 或 OTNS-Web 移動節點。

透過「OTNS-CLI」移動節點

將節點 5 移至新位置：

> move 5 600 300
Done

由於目前節點 5 距離另一個路由器遠離，因此這兩個路由器應中斷連線，且大約在 12 秒後 (模擬時間 120 秒) 後都會成為自己分區的領導者：

c06b4d0a4f183299.png

透過 OTNS-Web 移動節點

拖曳節點 5 移回原始位置。這兩個分區應合併回一個分區：

9ba305c4c5a5f892.png

10. 刪除節點

從「OTNS-CLI」中刪除節點

刪除節點 8：

> del 8
Done

節點 8 應會從模擬中消失：

18156770d9f8bf83.png

從「OTNS-Web」中刪除節點

選取節點 5，然後按一下 Action Bar 上的 7ff6afd565f4eafc.png 按鈕刪除節點 5：

d4079cceea0105f0.png

Node 1 應宣告為「主要」且 Node 7 無法連接任何路由器，因此應卸離。

清除模擬作業 (刪除所有節點)

透過 OTNS-Web 刪除所有節點，即可清除模擬作業。

按一下 Action Bar. 上的 89618191721e79a0.png 按鈕，所有節點都會立即消失。

在繼續之前...

自行在模擬中新增一些節點，以便能繼續進行本教學課程。

11. OTNS-CLI 節點結構定義

OTNS-CLI 提供節點內容模式，可輕鬆與節點互動，協助開發人員診斷節點的狀態。

進入節點結構定義模式

輸入節點 1 的節點結構定義：

> node 1
Done
node 1>

CLI 提示已變更為 node 1>，表示目前的節點結構定義。您可以輸入要在節點上執行的 OpenThread CLI 指令，就像您是直接與節點互動一樣。

在節點結構定義中執行指令

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

切換至其他節點結構定義

node 1> node 2
Done
node 2>

離開節點內容

node 1> exit
Done
>

12. 恭喜

恭喜，您已成功執行第一次的 OTNS 模擬！

您已瞭解如何安裝 OTNS 及其依附元件。您已為 OTNS 建構 OpenThread，並使用 OpenThread 模擬執行個體啟動 OTNS 模擬。您已瞭解如何透過 OTNS-CLI 和 OTNS-Web 以多種方式操控模擬功能。

現在您已經瞭解 OTNS 了，以及如何使用 OTNS 模擬 OpenThread 網路了。

後續步驟

查看一些程式碼研究室…

參考文件