1. はじめに
Google がリリースした OpenThread は、Thread ネットワーキング プロトコルのオープンソース実装です。Google Nest は、Google Nest 製品で使用されているテクノロジーをデベロッパーが幅広く利用できるように OpenThread をリリースし、スマートホーム製品の開発を加速させています。
Thread 仕様では、ホーム アプリケーション向けの IPv6 ベースの信頼性が高く安全な低消費電力のワイヤレス デバイス間通信プロトコルを定義しています。OpenThread は、IPv6、6LoWPAN、MAC セキュリティ付き IEEE 802.15.4、メッシュリンク確立、メッシュ ルーティングなど、すべての Thread ネットワーキング レイヤを実装しています。
この Codelab では、シミュレートされたデバイスで Thread ネットワークをシミュレートする方法を説明します。
学習内容
- OpenThread ビルド ツールチェーンを設定する方法
- Thread ネットワークをシミュレートする方法
- Thread ノードを認証する方法
- OpenThread Daemon で Thread ネットワークを管理する方法
必要なもの
- git
- Linux、ネットワーク ルーティングに関する基本的な知識
2. ビルドシステムをセットアップする
Git
この Codelab を完了するには、Git が必要です。続行する前にダウンロードしてインストールしてください。
インストールが完了したら、特定の OS の手順に沿って OpenThread をダウンロードしてビルドします。
Mac OS X 用 XCode
Mac OS X に OpenThread をインストールしてビルドするには、XCode が必要です。
XCode をインストールしたら、XCode Command Line Tools をインストールします。
$ xcode-select --install
Linux / Mac OS X でビルドする
このインストール手順は、Ubuntu Server 14.04 LTS と Mac OS X Sierra 10.12.6 でテストされています。
OpenThread をインストールします。bootstrap コマンドは、ツールチェーンがインストールされ、環境が正しく構成されていることを確認します。
$ mkdir -p ~/src $ cd ~/src $ git clone --recursive https://github.com/openthread/openthread.git $ cd openthread $ ./script/bootstrap
Windows を使用する
Windows を使用する場合は、この Codelab の Docker バージョンをお試しください。
3. OpenThread アプリケーションをビルドする
インストールが完了したら、OpenThread アプリケーションの例をビルドします。この Codelab では、シミュレーションの例を使用します。
$ cd ~/src/openthread $ ./script/cmake-build simulation
次に、OpenThread Daemon をビルドします。
$ ./script/cmake-build posix -DOT_DAEMON=ON
4. Thread ネットワークをシミュレートする
この Codelab で使用するサンプル アプリケーションは、基本的なコマンドライン インターフェース（CLI）を介して OpenThread の構成インターフェースと管理インターフェースを公開する最小限の OpenThread アプリケーションを示しています。
この演習では、シミュレートされた 1 つの Thread デバイスから別のシミュレートされた Thread デバイスに ping を送信するために必要な最小限の手順を説明します。
次の図は、基本的な Thread ネットワーク トポロジを示しています。この演習では、緑色の円内の 2 つのノード（Thread Leader と Thread Router）をシミュレートします。これらのノード間には 1 つの接続があります。
ノードに ping を送信する
1. ノード 1 を起動する
openthread ディレクトリに移動し、ot-cli-ftd バイナリを使用して、シミュレートされた Thread デバイスの CLI プロセスを生成します。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注: このコマンドを実行しても > プロンプトが表示されない場合は、enter を押します。
このバイナリは、POSIX 上でシミュレートされた OpenThread デバイスを実装します。IEEE 802.15.4 無線ドライバは UDP の上に実装されます（IEEE 802.15.4 フレームは UDP ペイロード内で渡されます）。
1 の引数は、シミュレートされたデバイスの「工場で割り当てられた」IEEE EUI-64 の最下位ビットを表すファイル記述子です。この値は、IEEE 802.15.4 無線エミュレーションの UDP ポートへのバインド時にも使用されます（ポート = 9000 + ファイル記述子）。この Codelab のシミュレートされた Thread デバイスの各インスタンスは、異なるファイル記述子を使用します。
注: シミュレートされたデバイスのプロセスを生成する場合は、この Codelab で説明したように、1 以上のファイル記述子のみを使用してください。0 のファイル記述子は他の用途のために予約されています。
新しい運用データセットを作成し、アクティブなデータセットとしてコミットします。オペレーショナル データセットは、作成する Thread ネットワークの構成です。
> dataset init new Done > dataset Active Timestamp: 1 Channel: 20 Channel Mask: 07fff800 Ext PAN ID: d6263b6d857647da Mesh Local Prefix: fd61:2344:9a52:ede0/64 Network Key: e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786 Network Name: OpenThread-c169 PAN ID: 0xc169 PSKc: ebb4f2f8a68026fc55bcf3d7be3e6fe4 Security Policy: 0, onrcb Done
このデータセットをアクティブなデータセットとしてコミットします。
> dataset commit active Done
IPv6 インターフェースを起動します。
> ifconfig up Done
Thread プロトコル オペレーションを開始します。
> thread start Done
数秒待ってから、デバイスが Thread リーダーになったことを確認します。リーダーは、ルーター ID の割り当てを管理するデバイスです。
> state leader Done
Node 1 の Thread インターフェースに割り当てられた IPv6 アドレスを表示します（出力は異なります）。
> ipaddr fd61:2344:9a52:ede0:0:ff:fe00:fc00 fd61:2344:9a52:ede0:0:ff:fe00:5000 fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6 fe80:0:0:0:94da:92ea:1353:4f3b Done
特定の IPv6 アドレスタイプをメモします。
fd= mesh-local で始まるfe80で始まる = リンクローカル
メッシュローカル アドレスタイプはさらに分類されます。
ff:fe00= ルーター ロケータ（RLOC）を含むff:fe00= エンドポイント識別子（EID）を含まない
コンソール出力で EID を特定し、後で使用するためにメモしておきます。上記のサンプル出力では、EID は次のとおりです。
fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6
2. ノード 2 を起動する
新しいターミナルを開き、openthread ディレクトリに移動して、CLI プロセスを生成します。これは、2 つ目のシミュレートされた Thread デバイスです。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2
注: このコマンドを実行しても > プロンプトが表示されない場合は、enter を押します。
Node 1 のオペレーショナル データセットと同じ値を使用して、Thread ネットワーク キーと PAN ID を構成します。
> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786 Done > dataset panid 0xc169 Done
このデータセットをアクティブなデータセットとしてコミットします。
> dataset commit active Done
IPv6 インターフェースを起動します。
> ifconfig up Done
Thread プロトコル オペレーションを開始します。
> thread start Done
デバイスは自動的に子供として初期化されます。Thread Child は End Device と同等です。これは、Parent デバイスとのみユニキャスト トラフィックを送受信する Thread デバイスです。
> state child Done
2 分以内に、状態が child から router に切り替わります。Thread ルーターは、Thread デバイス間のトラフィックをルーティングできます。親とも呼ばれます。
> state router Done
ネットワークを確認する
メッシュ ネットワークを簡単に確認するには、ルーター テーブルを確認します。
1. 接続を確認します。
ノード 2 で RLOC16 を取得します。RLOC16 は、デバイスの RLOC IPv6 アドレスの最後の 16 ビットです。
> rloc16 5800 Done
ノード 1 で、ノード 2 の RLOC16 のルーター テーブルを確認します。Node 2 が最初にルーター状態に切り替わっていることを確認します。
> router table | ID | RLOC16 | Next Hop | Path Cost | LQI In | LQI Out | Age | Extended MAC | +----+--------+----------+----------+-------+---------+-----+------------------+ | 20 | 0x5000 | 63 | 0 | 0 | 0 | 0 | 96da92ea13534f3b | | 22 | 0x5800 | 63 | 0 | 3 | 3 | 23 | 5a4eb647eb6bc66c |
ノード 1 の RLOC の 0xa800 がテーブルに表示され、メッシュに接続されていることが確認されます。
2. ノード 2 からノード 1 に ping を送信する
2 つのシミュレートされた Thread デバイス間の接続を確認します。ノード 2 で、ノード 1 に割り当てられた EID を ping します。
> ping fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6 > 16 bytes from fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6: icmp_seq=1 hlim=64 time=12ms
enter キーを押して、> CLI プロンプトに戻ります。
ネットワークをテストする
2 つのシミュレートされた Thread デバイス間で ping を正常に実行できるようになったので、1 つのノードをオフラインにしてメッシュ ネットワークをテストします。
ノード 1 に戻り、スレッドを停止します。
> thread stop Done
ノード 2 に切り替えて、状態を確認します。2 分以内に、ノード 2 がリーダー（ノード 1）がオフラインであることを検出し、ノード 2 がネットワークの leader に移行します。
> state router Done ... > state leader Done
確認したら、Thread を停止し、Node 2 を出荷時の設定にリセットしてから終了します。出荷時の設定にリセットするのは、この演習で使用した Thread ネットワークの認証情報が次の演習に引き継がれないようにするためです。
> thread stop Done > factoryreset > > exit
また、Node 1 を出荷時の設定にリセットして終了します。
> factoryreset > > exit
使用可能なすべての CLI コマンドについては、OpenThread CLI リファレンスをご覧ください。
5. コミッショニングでノードを認証する
前の演習では、2 つのシミュレートされたデバイスで Thread ネットワークを設定し、接続を確認しました。ただし、これにより、認証されていない IPv6 リンクローカル トラフィックのみがデバイス間で通過できるようになります。ノード間で（および Thread ボーダー ルーター経由でインターネットとの間で）グローバル IPv6 トラフィックをルーティングするには、ノードを認証する必要があります。
認証を行うには、1 つのデバイスが Commissioner として動作する必要があります。コミッショナーは、現在選出されている新しい Thread デバイスの認証サーバーであり、デバイスがネットワークに参加するために必要なネットワーク認証情報を提供する認可者です。
この演習では、以前と同じ 2 ノード トポロジを使用します。認証では、Thread リーダーが Commissioner、Thread ルーターが Joiner として機能します。
1. ネットワークの作成
前の演習から続行する場合は、すでに 2 つのターミナル ウィンドウが開いているはずです。開いていない場合は、2 つのタブを開いて使用できるようにします。1 つはノード 1、もう 1 つはノード 2 として機能します。
Node 1 で、CLI プロセスを生成します。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注: このコマンドを実行しても > プロンプトが表示されない場合は、enter を押します。
新しいオペレーショナル データセットを作成し、アクティブなデータセットとしてコミットして、Thread を開始します。
> dataset init new Done > dataset Active Timestamp: 1 Channel: 12 Channel Mask: 07fff800 Ext PAN ID: e68d05794bf13052 Mesh Local Prefix: fd7d:ddf7:877b:8756/64 Network Key: a77fe1d03b0e8028a4e13213de38080e Network Name: OpenThread-8f37 PAN ID: 0x8f37 PSKc: f9debbc1532487984b17f92cd55b21fc Security Policy: 0, onrcb Done
このデータセットをアクティブなデータセットとしてコミットします。
> dataset commit active Done
IPv6 インターフェースを起動します。
> ifconfig up Done
Thread プロトコル オペレーションを開始します。
> thread start Done
数秒待ってから、デバイスが Thread リーダーになったことを確認します。
> state leader Done
2. コミッショナーの役割を開始する
Node 1 に接続した状態で、Commissioner ロールを開始します。
> commissioner start Done
J01NME Joiner Credential を持つすべての Joiner（* ワイルドカードを使用）がネットワークにコミッショニングできるようにします。Joiner は、人間の管理者がコミッショニングされた Thread ネットワークに追加するデバイスです。
> commissioner joiner add * J01NME Done
3. 参加者ロールを開始する
2 つ目のターミナル ウィンドウで、新しい CLI プロセスを生成します。これはノード 2 です。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2
ノード 2 で、J01NME Joiner 認証情報を使用して Joiner ロールを有効にします。
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... 確認のため数秒待ちます ...
Join success
参加デバイス（ノード 2）は、コミッショナー（ノード 1）で正常に認証され、Thread ネットワークの認証情報を取得しました。
ノード 2 が認証されたので、Thread を開始します。
> thread start Done
4. ネットワーク認証を検証する
ノード 2 の state を確認して、ネットワークに参加したことを検証します。2 分以内に、ノード 2 が child から router に移行します。
> state child Done ... > state router Done
5. 構成をリセット
次の演習に備えて、構成をリセットします。各ノードで、Thread を停止し、出荷時設定にリセットして、シミュレートされた Thread デバイスを終了します。
> thread stop Done > factoryreset > > exit
factoryreset コマンドの後に > プロンプトを戻すには、enter を数回押す必要がある場合があります。
6. OpenThread Daemon でネットワークを管理する
この演習では、1 つの CLI インスタンス（1 つの組み込み SoC Thread デバイス）と 1 つの Radio Co-Processor（RCP）インスタンスをシミュレートします。
ot-daemon は、UNIX ソケットを入力と出力として使用する OpenThread Posix アプリのモードです。これにより、OpenThread コアをサービスとして実行できます。クライアントは、OpenThread CLI をプロトコルとして使用してソケットに接続することで、このサービスと通信できます。
ot-ctl は、RCP の管理と構成を行うために ot-daemon によって提供される CLI です。これを使用して、RCP を Thread デバイスによって作成されたネットワークに接続します。
ot-daemon を使用する
この演習では、次の 3 つのターミナル ウィンドウを使用します。
- シミュレートされた Thread デバイス（ノード 1）の CLI インスタンス
ot-daemonプロセスot-ctlCLI インスタンス
前の演習から続行する場合は、すでに 2 つのターミナル ウィンドウが開いているはずです。3 つ目のウィンドウを開いて、この演習で使用できるターミナル ウィンドウが 3 つあることを確認します。
1. ノード 1 を起動する
最初のターミナル ウィンドウで、シミュレートされた Thread デバイスの CLI プロセスを生成します。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注: このコマンドを実行しても > プロンプトが表示されない場合は、enter を押します。
新しいオペレーショナル データセットを作成し、アクティブなデータセットとしてコミットして、Thread を開始します。
> dataset init new Done > dataset Active Timestamp: 1 Channel: 13 Channel Mask: 07fff800 Ext PAN ID: 97d584bcd493b824 Mesh Local Prefix: fd55:cf34:dea5:7994/64 Network Key: ba6e886c7af50598df1115fa07658a83 Network Name: OpenThread-34e4 PAN ID: 0x34e4 PSKc: 38d6fd32c866927a4dfcc06d79ae1192 Security Policy: 0, onrcb Done
このデータセットをアクティブなデータセットとしてコミットします。
> dataset commit active Done
IPv6 インターフェースを起動します。
> ifconfig up Done
Thread プロトコル オペレーションを開始します。
> thread start Done
Node 1 の Thread インターフェースに割り当てられた IPv6 アドレスを表示します。
> ipaddr fd55:cf34:dea5:7994:0:ff:fe00:fc00 fd55:cf34:dea5:7994:0:ff:fe00:d000 fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab fe80:0:0:0:9cd8:aab6:482f:4cdc Done >
Thread ネットワークをシミュレートするの手順で説明したように、1 つのアドレスはリンクローカル（fe80）で、3 つはメッシュローカル（fd）です。EID は、アドレスに ff:fe00 が含まれていないメッシュローカル アドレスです。この出力例では、EID は fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab です。
ipaddr 出力から、ノードとの通信に使用される特定の EID を特定します。
2. ot-daemon を起動
2 番目のターミナル ウィンドウで、openthread ディレクトリに移動し、RCP ノードの ot-daemon を起動します。これをノード 2 と呼びます。-v 詳細フラグを使用して、ログ出力を確認し、実行されていることを確認します。必ず sudo を使用してください。
$ cd ~/src/openthread
$ sudo ./build/posix/src/posix/ot-daemon -v \
'spinel+hdlc+forkpty://build/simulation/examples/apps/ncp/ot-rcp?forkpty-arg=2'
成功すると、詳細モードの ot-daemon は次のような出力を生成します。
ot-daemon[12463]: Running OPENTHREAD/thread-reference-20200818-1938-g0f10480ed; POSIX; Aug 30 2022 10:55:05 ot-daemon[12463]: Thread version: 4 ot-daemon[12463]: Thread interface: wpan0 ot-daemon[12463]: RCP version: OPENTHREAD/thread-reference-20200818-1938-g0f10480ed; SIMULATION; Aug 30 2022 10:54:10
このターミナルは開いたままにして、バックグラウンドで実行します。これ以上コマンドを入力することはありません。
3. ot-ctl を使用してネットワークに参加する
Node 2（ot-daemon RCP）はまだどの Thread ネットワークにもコミッショニングされていません。ここで ot-ctl が役立ちます。ot-ctl は OpenThread CLI アプリと同じ CLI を使用します。そのため、他のシミュレートされた Thread デバイスと同じ方法で ot-daemon ノードを制御できます。
3 つ目のターミナル ウィンドウで、ot-ctl を起動します。
$ sudo ./build/posix/src/posix/ot-ctl >
注: このコマンドを実行しても > プロンプトが表示されない場合は、enter を押します。
この 3 番目のターミナル ウィンドウで ot-ctl を使用して、2 番目のターミナル ウィンドウで ot-daemon を使用して起動した Node 2（RCP ノード）を管理します。ノード 2 の state を確認します。
> state disabled Done
Node 2 の eui64 を取得して、特定の Joiner への参加を制限します。
> eui64 18b4300000000001 Done
ノード 1（最初のターミナル ウィンドウ）で、Commissioner を起動し、参加をその eui64 のみに制限します。
> commissioner start Done > commissioner joiner add 18b4300000000001 J01NME Done
ノード 2（3 番目のターミナル ウィンドウ）で、ネットワーク インターフェースを起動してネットワークに参加します。
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... 確認のため数秒待ちます ...
Join success
Joiner として、RCP（ノード 2）は Commissioner（ノード 1）で認証され、Thread ネットワークの認証情報を取得しました。
Node 2 を Thread ネットワークに参加させます。
> thread start Done
4. ネットワーク認証を検証する
ノード 2 の state を確認して、ネットワークに参加したことを検証します。2 分以内に、ノード 2 が child から router に移行します。
> state child Done ... > state router Done
5. 接続を検証する
Ctrl+D または exit コマンドを使用して ot-ctl を終了し、ホストマシンのコマンドラインで、ping6 コマンドを使用して EID で Node 1 に ping を送信します。ot-daemon RCP インスタンスが Thread ネットワークに正常に参加し、通信している場合、ping は成功します。
$ ping6 -c 4 fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab PING fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab (fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab): 56 data bytes 64 bytes from fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab: icmp_seq=0 ttl=64 time=4.568 ms 64 bytes from fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab: icmp_seq=1 ttl=64 time=6.396 ms 64 bytes from fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab: icmp_seq=2 ttl=64 time=7.594 ms 64 bytes from fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab: icmp_seq=3 ttl=64 time=5.461 ms --- fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max/stddev = 4.568/6.005/7.594/1.122 ms
7. 完了
OpenThread を使用して、最初の Thread ネットワークをシミュレートできました。誠にありがとうございます。
この Codelab では、以下について学びました。
- OpenThread ビルド ツールチェーンを設定する
- Thread ネットワークをシミュレートする
- Thread ノードを認証する
- OpenThread Daemon で Thread ネットワークを管理する
詳細については、以下のリファレンスをご覧ください。