Simuler un réseau Thread avec OpenThread

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1. Introduction

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OpenThread publié par Google est une implémentation Open Source du protocole de mise en réseau Thread. Google Nest a lancé OpenThread pour mettre la technologie utilisée dans les produits Nest à la disposition du plus grand nombre de développeurs afin d'accélérer le développement de produits pour la maison connectée.

La spécification Thread définit un protocole de communication d'appareil à appareil sans fil fiable, sécurisé et à faible consommation pour les applications à domicile. OpenThread implémente toutes les couches de mise en réseau Thread, y compris IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 avec sécurité MAC, établissement d'un lien maillé et routage de réseau maillé.

Cet atelier de programmation vous explique comment simuler un réseau Thread sur des appareils simulés.

Points abordés

  • Configurer la chaîne d'outils de compilation OpenThread
  • Simuler un réseau Thread
  • Authentifier les nœuds Thread
  • Gérer un réseau Thread avec le daemon OpenThread

Ce dont vous avez besoin

  • git
  • Connaissances de base sur Linux, routage réseau

2. Configurer le système de compilation

Git

Git est nécessaire pour suivre cet atelier de programmation. Téléchargez-la et installez-la avant de continuer.

Une fois installé, suivez les instructions correspondant à votre système d'exploitation pour télécharger et créer OpenThread.

XCode pour Mac OS X

XCode est requis pour installer et créer OpenThread sur Mac OS X.

Une fois XCode installé, installez les outils de ligne de commande XCode:

$ xcode-select --install

Compiler sous Linux / Mac OS X

Ces instructions d'installation ont été testées sur Ubuntu Server 14.04 LTS et Mac OS X Sierra 10.12.6.

Installez OpenThread. Les commandes bootstrap permettent de vérifier que la chaîne d'outils est installée et que l'environnement est correctement configuré:

$ mkdir -p ~/src
$ cd ~/src
$ git clone --recursive https://github.com/openthread/openthread.git
$ cd openthread
$ ./script/bootstrap
$ ./bootstrap

Sous Windows

Si vous préférez Windows, nous vous recommandons d'essayer la version Docker de cet atelier de programmation.

3. Créer les applications OpenThread

Une fois l'installation terminée, créez l'exemple d'application OpenThread. Pour cet atelier de programmation, nous utilisons l'exemple de simulation.

$ cd ~/src/openthread
$ ./script/cmake-build simulation

Créez maintenant le daemon OpenThread:

$ ./script/cmake-build posix -DOT_DAEMON=ON

4. Simuler un réseau Thread

L'exemple d'application que vous utiliserez pour cet atelier de programmation présente une application OpenThread minimale qui présente les interfaces de configuration et de gestion OpenThread via une interface de ligne de commande (CLI) de base.

Cet exercice vous indique les étapes minimales requises pour pinguer un appareil Thread simulé depuis un autre appareil Thread simulé.

La figure ci-dessous décrit une topologie de réseau Thread de base. Pour cet exercice, nous allons simuler les deux nœuds du cercle vert: un leader de thread et un routeur de thread avec une seule connexion entre eux.

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Pinguer un nœud

1. Démarrer le nœud 1

Accédez au répertoire openthread et générez le processus CLI pour un appareil Thread simulé à l'aide du binaire ot-cli-ftd.

$ cd ~/src/openthread
$ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Remarque : Si l'invite > ne s'affiche pas après l'exécution de cette commande, appuyez sur enter.

Ce binaire implémente un appareil OpenThread simulé sur POSIX. Le pilote radio IEEE 802.15.4 est implémenté en plus de l'UDP (les trames IEEE 802.15.4 sont transmises dans les charges utiles UDP).

L'argument de 1 est un descripteur de fichier qui représente les bits les moins significatifs de l'IEEE EUI-64 attribué par l'usine pour l'appareil simulé. Cette valeur est également utilisée lors de la liaison à un port UDP pour l'émulation radio IEEE 802.15.4 (port = 9000 + descripteur de fichier). Chaque instance d'un appareil Thread simulé dans cet atelier de programmation utilisera un descripteur de fichier différent.

Remarque : Utilisez uniquement des descripteurs de fichier de 1 ou plus, comme indiqué dans cet atelier de programmation, pour générer le processus pour un appareil de simulation. Un descripteur de fichier 0 est réservé à une autre utilisation.

Créer un ensemble de données opérationnel et le valider en tant qu'ensemble de données actif L'ensemble de données opérationnel est la configuration du réseau Thread que vous créez.

> 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

Validez cet ensemble de données actif:

> dataset commit active
Done

Ouvrez l'interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Démarrez l'opération du protocole Thread:

> thread start
Done

Attendez quelques secondes, puis vérifiez que l'appareil est devenu Thread Leader. La variante optimale est l'appareil responsable de la gestion de l'attribution de l'ID de routeur.

> state
leader
Done

Affichez les adresses IPv6 attribuées à l'interface Thread de Node 1 (votre résultat sera différent):

> 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

Notez les types d'adresses IPv6 spécifiques:

  • Commence par fd = réseau maillé local
  • Commence par fe80 = lien-local

Les types d'adresses de réseau maillé local sont ensuite classés:

  • Contient ff:fe00 = outil de localisation de routeurs (RLOC, Routeur Locator)
  • Ne contient pas ff:fe00 = Identifiant de point de terminaison (EID)

Identifiez l'EID dans le résultat de votre console et notez-le pour une utilisation ultérieure. Dans l'exemple de résultat ci-dessus, l'EID est:

fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6

2. Démarrer le nœud 2

Ouvrez un nouveau terminal et accédez au répertoire openthread, puis générez le processus de la CLI. Voici votre deuxième appareil Thread simulé:

$ cd ~/src/openthread
$ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2

Remarque : Si l'invite > ne s'affiche pas après l'exécution de cette commande, appuyez sur enter.

Configurez la clé réseau Thread et l'ID PAN, en utilisant les mêmes valeurs que pour l'ensemble de données opérationnel du nœud 1:

> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786
Done
> dataset panid 0xc169
Done

Validez cet ensemble de données actif:

> dataset commit active
Done

Ouvrez l'interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Démarrez l'opération du protocole Thread:

> thread start
Done

L'appareil s'initialisera en tant qu'enfant. Un enfant Thread est équivalent à un appareil final, c'est-à-dire un appareil Thread qui transmet et reçoit du trafic unicast uniquement avec un appareil parent.

> state
child
Done

L'état passe de child à router dans les deux minutes qui suivent. Un routeur Thread peut router le trafic entre des appareils Thread. Elle est également appelée "Parent".

> state
router
Done

Vérifier le réseau

Un moyen simple de vérifier le réseau maillé consiste à consulter la table du routeur.

1. Vérifier la connectivité

Sur le nœud 2, récupérez le RLOC16. Le RLOC16 correspond aux 16 derniers bits de l'adresse IPv6 RLOC de l'appareil.

> rloc16
5800
Done

Sur le nœud 1, recherchez la table RLOC16 du nœud 2 dans la table des routeurs. Assurez-vous d'abord que le nœud 2 est passé à l'état du routeur.

> 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 |

Le RLOC 0xa800 du nœud 1 se trouve dans la table, ce qui confirme qu'il est connecté au réseau maillé.

2. Pinguez le nœud 1 à partir du nœud 2.

Vérifiez la connectivité entre les deux appareils Thread simulés. Dans le nœud 2, ping l'EID attribué au nœud 1:

> 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

Appuyez sur enter pour revenir à l'invite de la CLI >.

Tester le réseau

Maintenant que vous pouvez pinguer deux appareils Thread simulés, testez le réseau maillé en mettant un nœud hors connexion.

Revenez au nœud 1 et arrêtez Thread:

> thread stop
Done

Passez au nœud 2 et vérifiez l'état. Au bout de deux minutes, le nœud 2 détecte que le nœud maître (le nœud 1) est hors connexion. Vous devriez voir le nœud 2 être le leader du réseau:

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

Une fois que vous avez confirmé, arrêtez le thread et rétablissez la configuration d'usine du nœud 2 avant de le quitter. Une restauration des paramètres d'usine est effectuée pour que les identifiants du réseau Thread que nous utilisions dans cet exercice ne soient pas transférés à l'exercice suivant.

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

Rétablir la configuration d'usine et quitter le nœud 1:

> factoryreset
>
> exit

Consultez la documentation de référence de la CLI OpenThread pour explorer toutes les commandes CLI disponibles.

5. Authentifier des nœuds avec la mise en service

Dans l'exercice précédent, vous avez configuré un réseau Thread avec deux appareils simulés et une connectivité vérifiée. Toutefois, seul le trafic local de liaison IPv6 non authentifiée peut transiter entre les appareils. Pour acheminer le trafic IPv6 global entre eux (et Internet via un routeur de bordure Thread), les nœuds doivent être authentifiés.

Pour s'authentifier, un appareil doit agir en tant que commissaire. Le commissaire est le serveur d'authentification actuellement élu pour les nouveaux appareils Thread. Il autorise également l'accès aux identifiants réseau requis pour que les appareils rejoignent le réseau.

Dans cet exercice, nous allons utiliser la même topologie à deux nœuds. Pour l'authentification, le Thread Leader agira en tant que Commissaire, le routeur Thread en tant que Joiner.

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1. Créer un réseau

Si vous poursuivez l'exercice précédent, vous devriez avoir ouvert deux fenêtres de terminal. Si ce n'est pas le cas, assurez-vous qu'ils sont ouverts et prêts à être utilisés. L'un des nœuds servira de nœud 1, l'autre de nœud 2.

Dans le nœud 1, générez le processus de la CLI:

$ cd ~/src/openthread
$ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Remarque:Si l'invite > ne s'affiche pas après l'exécution de cette commande, appuyez sur enter.

Créez un ensemble de données opérationnel, validez-le en tant qu'ensemble actif, puis démarrez Thread:

> 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

Validez cet ensemble de données actif:

> dataset commit active
Done

Ouvrez l'interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Démarrez l'opération du protocole Thread:

> thread start
Done

Patientez quelques secondes, puis vérifiez que l'appareil est devenu Thread Leader:

> state
leader
Done

2. Démarrer le rôle de commissaire

Toujours sur le nœud 1, démarrez le rôle de commissaire:

> commissioner start
Done

Autorisez n'importe quel Joiner (à l'aide du caractère générique *) avec les identifiants Joiner J01NME pour effectuer une commission sur le réseau. Un Joiner est un appareil qui est ajouté par un administrateur à un réseau Thread mis en service.

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. Démarrer le rôle Joiner

Dans une deuxième fenêtre de terminal, générez un nouveau processus CLI. Il s'agit du nœud 2.

$ cd ~/src/openthread
$ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2

Sur le nœud 2, activez le rôle Joiner à l'aide des identifiants J01NME Joiner.

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... patientez quelques secondes jusqu'à la confirmation ...

Join success

En tant que Joiner, l'appareil (nœud 2) s'est authentifié avec le commissaire (nœud 1) et a reçu les identifiants du réseau Thread.

Maintenant que le nœud 2 est authentifié, démarrez Thread:

> thread start
Done

4. Valider l'authentification réseau

Vérifiez le state sur le nœud 2 pour vérifier qu'il a maintenant rejoint le réseau. En deux minutes, le nœud 2 passe de child à router :

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. Réinitialiser la configuration

Pour préparer l'exercice suivant, réinitialisez la configuration. Sur chaque nœud, arrêtez Thread, rétablissez la configuration d'usine et quittez l'appareil Thread simulé:

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

Vous devrez peut-être appuyer sur enter plusieurs fois pour afficher l'invite > après une commande factoryreset.

6. Gérer le réseau avec le daemon OpenThread

Pour cet exercice, nous allons simuler une instance de CLI (un seul appareil Thread SoC intégré) et une instance de co-processeur (RCP).

ot-daemon est un mode de l'application OpenThread Posix qui utilise un socket UNIX en entrée et en sortie, de sorte que le cœur OpenThread peut s'exécuter en tant que service. Un client peut communiquer avec ce service en se connectant au socket en utilisant la CLI OpenThread comme protocole.

ot-ctl est une CLI fournie par ot-daemon pour gérer et configurer le RCP. Cela permet de connecter le protocole RCP au réseau créé par l'appareil Thread.

Utiliser ot-daemon

Cet exercice utilisera trois fenêtres de terminal, correspondant aux éléments suivants:

  1. Instance CLI de l'appareil Thread simulé (nœud 1)
  2. Processus ot-daemon
  3. ot-ctl instance de CLI

Si vous poursuivez depuis l'exercice précédent, vous devriez avoir ouvert deux fenêtres de terminal. Ouvrez-en une troisième pour vous assurer que vous avez trois fenêtres de terminal disponibles pour cet exercice.

1. Démarrer le nœud 1

Dans la première fenêtre du terminal, exécutez le processus de la CLI pour votre appareil Thread simulé:

$ cd ~/src/openthread
$ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Remarque:Si l'invite > ne s'affiche pas après l'exécution de cette commande, appuyez sur enter.

Créez un ensemble de données opérationnel, validez-le en tant qu'ensemble actif, puis démarrez Thread:

> 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

Validez cet ensemble de données actif:

> dataset commit active
Done

Ouvrez l'interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Démarrez l'opération du protocole Thread:

> thread start
Done

Affichez les adresses IPv6 attribuées à l'interface Thread de Node 1:

> 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
>

Comme expliqué à l'étape Simuler un réseau Thread, une adresse est "link-local" (fe80) et trois sont "mail-local" (fd). L'EID est l'adresse locale du réseau maillé dont l'adresse ne contient pas ff:fe00. Dans cet exemple de résultat, l'EID est fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab.

Identifiez l'EID spécifique de votre sortie ipaddr, qui sera utilisé pour communiquer avec le nœud.

2. Lancer ot-daemon

Dans la deuxième fenêtre de terminal, accédez au répertoire openthread et démarrez ot-daemon pour un nœud RCP que nous appellerons le nœud 2. Utilisez l'option détaillée -v pour afficher la sortie du journal, vérifier qu'elle est en cours d'exécution et utiliser la commande sudo :

$ cd ~/src/openthread
$ sudo ./build/posix/src/posix/ot-daemon -v \
    'spinel+hdlc+forkpty:///build/simulation/examples/apps/ncp/ot-rcp?forkpty-arg=2'

Si l'opération réussit, ot-daemon en mode détaillé génère un résultat semblable à celui-ci:

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

Laissez ce terminal ouvert et exécuté en arrière-plan. Vous ne devrez saisir aucune autre commande.

3. Utiliser ot-ctl pour joindre le réseau

Nous n'avons pas encore commandé de nœud 2 (le protocole RCP ot-daemon) à un réseau Thread. C'est là que ot-ctl entre en jeu. ot-ctl utilise la même CLI que l'application CLI OpenThread. Par conséquent, vous pouvez contrôler ot-daemon nœuds de la même manière que les autres appareils Thread simulés.

Dans une troisième fenêtre de terminal, démarrez ot-ctl :

$ sudo ./build/posix/src/posix/ot-ctl
>

Remarque:Si l'invite > ne s'affiche pas après l'exécution de cette commande, appuyez sur enter.

Vous utiliserez ot-ctl dans cette troisième fenêtre de terminal pour gérer le nœud 2 (le nœud RCP) que vous avez démarré dans la deuxième fenêtre de terminal avec ot-daemon. Vérifiez le state du nœud 2:

> state
disabled
Done

Obtenez le eui64 du nœud 2 pour restreindre la participation à l'outil de jointure spécifique:

> eui64
18b4300000000001
Done

Sur le nœud 1 (première fenêtre de terminal), démarrez le Commissaire et limitez la jointure à cette eui64:

> commissioner start
Done
> commissioner joiner add 18b4300000000001 J01NME
Done

Sur le nœud 2 (troisième fenêtre de terminal), affichez l'interface réseau et rejoignez le réseau:

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... patientez quelques secondes jusqu'à la confirmation ...

Join success

En tant que Joiner, le RCP (nœud 2) s'est authentifié avec le commissaire (nœud 1) et a reçu les identifiants du réseau Thread.

Associez maintenant le nœud 2 au réseau Thread:

> thread start
Done

4. Valider l'authentification réseau

Vérifiez le state sur le nœud 2 pour vérifier qu'il a maintenant rejoint le réseau. En deux minutes, le nœud 2 passe de child à router:

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. Valider la connectivité

Quittez ot-ctl à l'aide de la commande Ctrl+D ou exit. Sur la ligne de commande de votre machine hôte, pinguez le nœud 1 en utilisant son EID avec la commande ping6. Si l'instance RCP ot-daemon est correctement associée au réseau Thread et qu'elle communique avec elle, le ping aboutit:

$ 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. Félicitations !

Vous avez simulé votre premier réseau Thread à l'aide d'OpenThread. Parfait !

Dans cet atelier de programmation, vous avez appris à :

  • Configurer la chaîne d'outils de compilation OpenThread
  • Simuler un réseau Thread
  • Authentifier les nœuds Thread
  • Gérer un réseau Thread avec le daemon OpenThread

Pour en savoir plus, consultez les articles suivants: