使用 OTNS 模拟线程网络

1. 简介

5abd22afa2f2ee9a.png

什么是 Thread 和 OTNS

Thread 是基于 IP 的低功耗无线网状网络协议,支持设备到设备和设备到云的安全通信。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。尽管线程大小和内存占用量较小,但 OpenThread 支持线程规范中定义的所有功能。

OpenThread Network Simulator (OTNS) 可通过在 posix 平台上运行模拟的 OpenThread 节点来模拟 Thread 网络。OTNS 提供了一个易于使用的网页界面 (OTNS-Web),用于直观呈现和运行模拟 Thread 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 的其他实用功能来运行网络模拟
  • 验证 OpenThread 的无单点故障

本 Codelab 主要介绍 OTNS-CLI 和 OTNS-Web。OTNS 的其他功能(例如 Python 脚本)不在涵盖范围内。

所需条件

  • Linux x86_64 或 Mac OS。
  • Git
  • Go 1.13 及更高版本
  • 网络浏览器。OTNS-Web 使用网络浏览器来显示模拟结果。
  • Thread Primer。您需要了解 Thread 的基本概念,理解此 Codelab 中所教的内容。

2. 安装

安装 Go

OTNS 需要 Go 1.13 及更高版本才能构建。

  1. 通过 https://golang.org/dl/ 安装 Go
  2. $(go env GOPATH)/bin(通常是 $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 OTT 服务

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 $PATH. 中的 otns 可执行文件是否可搜索
  2. 如果找不到 otns 命令,请确认您是否已将 $(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/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 目录中找到 OpenThread 可执行文件:

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

现在该运行 OTNS...

4. 运行 OTNS

运行 otns

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

成功启动后,OTNS 会进入 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 的空白页面,可能是因为您的浏览器未启用 WebGL。请参阅https://superuser.com/a/836833 ,了解如何启用 WebGL。

在接下来的部分中,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/build/simulation/examples/apps/cli
$ 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 参考文档。别担心,您只会在此 Codelab 中使用其中的几个命令。

OTNS - 网页

OTNS-Web 是 OTNS 的网络可视化和管理工具。它提供了模拟 Thread 网络的节点、消息和链接的直观表示。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

在位置添加一个路由器(300、100)

> add router x 300 y 100
1
Done

您应该会看到在 OTNS-Web 中创建的节点。节点在一开始会变成路由器,并在几秒钟内成为主要副本:

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

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

3ee67903c01aa612.png

请在 OTNS-Web之前添加节点

您还可以通过 OTNS-Web 添加节点。点击 Action BarNew Router 按钮。您应该会在 New Router 按钮的正上方看到正在创建的节点。将节点拖到您通过 OTNS-CLI 创建的 Leader 附近。所有节点最终都应合并到一个分区中:

420258bb92561146.png

此外,点击操作栏上的 FED、MED 和 SED 按钮以创建其他类型的节点。将它们拖动到现有节点附近的位置,以将它们附加到该 Thread 网络:

fe15d6f9726a099e.png

现在,您已创建一个含有多个节点的分区的 Thread 网络。在下一部分中,我们将调整模拟速度,以使模拟运行更快。

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模拟的进度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高得多。

将模拟速度设为 MAX

> speed max
Done

OTNS 正尝试尽快模拟,因此您应该会看到发送大量消息的节点。

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 的值会恢复模拟。

通过 OTNS-Web 调整速度

速度控制按钮

Action Bar上找到速度控制按钮 9329157c1bd12672.png。这些按钮用于显示当前的模拟速度,并且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 按钮加快模拟速度,直到速度达到 MAXf5f460b2586d299b.png

减速模拟

您可以点击 31cca8d5b52fa900.png 按钮,减慢模拟速度。

暂停模拟

点击 46cc2088c9aa7ab6.png 按钮可暂停模拟运行时。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恢复模拟。该按钮将恢复为 46cc2088c9aa7ab6.png

将模拟速度设为 10X

为了节省时间,请使用

OTNS-CLI ,以将模拟速度调整为

10X ,以便我们能够更快地观察网络中的拓扑变化。

> speed 10
Done

8. 打开/关闭电台

现在,该模拟应包含 2 个路由器(六边形)和多个子节点,并以 10 倍的速度运行。

找到 2 个路由器的当前领先者(红色边框),点击一下即可选择:

8c6a2e191cdae0c7.png

关闭无线通信

点击操作栏中的 7ca085f470491dd4.png 按钮可关闭主要节点的无线装置:

a3bf58d9d125f95f.png

领先者将无法在关闭无线装置的情况下收发消息。

等待大约 12 秒(模拟时间 120 秒)等待另一台路由器成为新的 Leader:

e3d32f85c4a1b990.png

Thread 网络通过与新的 Leader 建立新分区,自动从 Leader 故障中恢复。新分区也采用了新的分区颜色。

打开无线通信

选择无线装置已关闭的领先变体。点击 Action Bar 上的 2d9cecb8612b42aa.png 按钮以恢复无线装置连接:

7370a7841861aa3a.png

主要副本应在无线装置连接恢复后重新连接到网络。

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 离另一个路由器很远,因此节点 5 应该彼此失去连接,并在大约 12 秒(模拟时间 120 秒)后成为各自的分区的领先者:

c06b4d0a4f183299.png

通过 OTNS-Web 移动节点

通过拖动节点 5 将其移回原始位置。这两个分区应合并成一个分区:

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 应该会从模拟中消失:

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 应成为主要副本,而 Node 7 应分离,因为它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。所有节点都会立即消失。

在继续之前...

您可以自行向模拟添加一些节点,以便继续学习本教程。

11. OTNS-CLI 节点上下文

OTNS-CLI 提供节点上下文模式,可与节点轻松交互,以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。您可以输入要在该节点上执行的 OpenThread CLI 命令,就像直接与节点交互一样。

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

切换到另一个节点上下文

node 1> node 2
Done
node 2> 

退出节点上下文

node 1> exit
Done
>

12. 恭喜

恭喜,您已成功执行自己的第一个 OTNS 模拟!

您已了解如何安装 OTNS 及其依赖项。您针对 OTNS 构建了 OpenThread,并使用 OpenThread 模拟实例启动了 OTNS 模拟。您学习了如何通过 OTNS-CLIOTNS-Web 以各种方式操纵模拟。

现在,您已了解什么是 OTNS,以及如何使用 OTNS 来模拟 OpenThread 网络。

后续操作

查看下列 Codelab…

参考文档