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OpenThread로 스레드 네트워크 시뮬레이션

1. 소개

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Google에서 출시한 OpenThreadThread 네트워킹 프로토콜의 오픈소스 구현입니다. Google Nest는 OpenNest를 출시하여 Nest 제품에 사용되는 기술을 개발자가 커넥티드 홈 제품의 개발을 가속화하는 데 광범위하게 사용할 수 있도록 했습니다.

스레드 사양은 홈 애플리케이션을 위한 IPv6 기반 안정성, 보안성, 저전력 무선 기기 간 통신 프로토콜을 정의합니다. OpenThread는 MAC 보안, 메시 링크 설정, 메시 라우팅을 갖춘 IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4를 포함한 모든 스레드 네트워킹 레이어를 구현합니다.

이 Codelab에서는 시뮬레이션된 기기에서 스레드 네트워크를 시뮬레이션하는 방법을 안내합니다.

학습할 내용

  • OpenThread 빌드 도구 모음 설정 방법
  • 스레드 네트워크를 시뮬레이션하는 방법
  • 스레드 노드를 인증하는 방법
  • OpenThread Daemon으로 스레드 네트워크를 관리하는 방법

필요한 항목

  • git
  • Linux, 네트워크 라우팅에 관한 기본 지식

2. 빌드 시스템 설정

Git

이 Codelab을 완료하려면 Git가 필요합니다. 계속하기 전에 다운로드하여 설치합니다.

설치되면 특정 OS의 안내에 따라 OpenThread를 다운로드하고 빌드합니다.

Mac OS X용 XCode

Mac OS X에 OpenThread를 설치하고 빌드하려면 XCode가 필요합니다.

XCode 설치 후 XCode 명령줄 도구를 설치합니다.

$ xcode-select --install

Linux / Mac OS X에 빌드

이 설치 안내는 Ubuntu Server 14.04 LTS, Mac OS X Sierra 10.12.6에서 테스트되었습니다.

OpenThread 설치 bootstrap 명령어는 도구 모음이 설치되어 있고 환경이 올바르게 구성되었는지 확인합니다.

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

Windows 사용

Windows를 선호한다면 이 Codelab의 Docker 버전을 사용하는 것이 좋습니다.

3. OpenThread 애플리케이션 빌드

설치가 완료되면 OpenThread 애플리케이션 예를 빌드합니다. 이 Codelab에서는 시뮬레이션 예를 사용합니다.

$ cd ~/src/openthread
$ make -f examples/Makefile-simulation

이제 OpenThread Daemon을 빌드합니다.

$ cd ~/src/openthread
$ make -f src/posix/Makefile-posix DAEMON=1

4. 스레드 네트워크 시뮬레이션

이 Codelab에서 사용할 애플리케이션 예는 기본 명령줄 인터페이스 (CLI)를 통해 OpenThread 구성 및 관리 인터페이스를 노출하는 최소한의 OpenThread 애플리케이션을 보여줍니다.

이 연습에서는 다른 시뮬레이션된 스레드 기기에서 시뮬레이션된 스레드 기기 하나를 핑하는 데 필요한 최소 단계를 설명합니다.

아래 그림은 기본 스레드 네트워크 토폴로지를 보여줍니다. 이 연습에서는 녹색 원 내에서 두 개의 노드, 즉 스레드 두 개와 스레드 간에 단일 연결이 있는 스레드 라우터를 시뮬레이션합니다.

6e3aa07675f902dc.png

노드 핑

1. 노드 1 시작

openthread 디렉터리로 이동하고 ot-cli-ftd 바이너리를 사용하여 시뮬레이션된 스레드 기기의 CLI 프로세스를 생성합니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1

참고: 이 명령어를 실행한 후 > 프롬프트가 표시되지 않으면 enter를 누릅니다.

이 바이너리는 POSIX 위에서 시뮬레이션되는 OpenThread 기기를 구현합니다. IEEE 802.15.4 라디오 드라이버는 UDP 상단에 구현됩니다 (IEEE 802.15.4 프레임은 UDP 페이로드 내에서 전달됩니다).

1의 인수는 시뮬레이션된 기기에 대해 quot;Factory-assigned" IEEE EUI-64의 최하위 비트를 나타내는 파일 설명자입니다. 이 값은 IEEE 802.15.4 무선 에뮬레이션 (포트 = 9000 + 파일 설명자)용 UDP 포트에 바인딩할 때도 사용됩니다. 이 Codelab에서 시뮬레이션된 스레드 기기의 각 인스턴스는 다른 파일 설명자를 사용합니다.

참고: 시뮬레이션된 기기의 프로세스를 생성할 때 이 Codelab에 설명된 대로 1 이상의 파일 설명자만 사용합니다. 0의 파일 설명자는 다른 용도로 예약되어 있습니다.

새 작업 데이터 세트를 만들고 활성 데이터 세트로 커밋합니다. 운영 데이터 세트는 만들고 있는 스레드 네트워크의 구성입니다.

> 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

이 데이터 세트를 활성 데이터 세트로 커밋합니다.

> dataset commit active
Done

IPv6 인터페이스를 불러옵니다.

> ifconfig up
Done

스레드 프로토콜 작업 시작:

> thread start
Done

잠시 기다렸다가 기기가 스레드 리더가 되었는지 확인합니다. 리더가 라우터 ID 할당을 관리하는 기기입니다.

> state
leader
Done

노드 1의 스레드 인터페이스에 할당된 IPv6 주소를 확인합니다 (출력은 다름).

> 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

특정 IPv6 주소 유형을 확인합니다.

  • fd로 시작 = Mesh-local
  • fe80로 시작 = link-local

메시-로컬 주소 유형은 추가로 분류됩니다.

  • ff:fe00 포함 = 라우터 검색 기능 (RLOC)
  • ff:fe00 포함하지 않음 = 엔드포인트 ID (EID)

콘솔 출력에서 EID를 식별하여 나중에 사용할 수 있도록 기록합니다. 위 샘플 출력에서 EID는 다음과 같습니다.

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

2. 노드 2 시작

새 터미널을 열고 openthread 디렉터리로 이동하여 CLI 프로세스를 생성합니다. 다음은 두 번째 시뮬레이션된 스레드 기기입니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 2

참고: 이 명령어를 실행한 후 > 프롬프트가 표시되지 않으면 enter를 누릅니다.

Node 1의 운영 데이터 세트와 동일한 값을 사용하여 스레드 네트워크 키와 PAN ID를 구성합니다.

> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786
Done
> dataset panid 0xc169
Done

이 데이터 세트를 활성 데이터 세트로 커밋합니다.

> dataset commit active
Done

IPv6 인터페이스를 불러옵니다.

> ifconfig up
Done

스레드 프로토콜 작업 시작:

> thread start
Done

기기가 자동으로 아동으로 초기화됩니다. 스레드 하위 요소는 상위 기기와만 유니캐스트 트래픽을 주고받는 스레드 기기인 최종 기기와 같습니다.

> state
child
Done

2분 이내에 상태가 child에서 router로 전환됩니다. 스레드 라우터는 스레드 기기 간에 트래픽을 라우팅할 수 있습니다. 상위라고도 합니다.

> state
router
Done

네트워크 인증

메시 네트워크를 확인하는 쉬운 방법은 라우터 테이블을 확인하는 것입니다.

1. 연결 확인

노드 2에서 RLOC16을 가져옵니다. RLOC16은 기기의 마지막 16비트 RLOC IPv6 주소입니다.

> rloc16
5800
Done

노드 1에서 라우터 테이블에서 노드 2의 RLOC16을 확인합니다. 노드 2가 먼저 라우터 상태로 전환되었는지 확인합니다.

> 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 |

테이블에 노드 0xa800의 RLOC가 표시되어 메시에 연결되어 있는지 확인합니다.

2. 노드 2의 노드 1 핑

시뮬레이션된 두 스레드 기기 간의 연결을 확인합니다. 노드 2에서 노드 1에 할당된 EID ping:

> 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

enter를 눌러 > CLI 프롬프트로 돌아갑니다.

네트워크 테스트하기

이제 시뮬레이션된 두 스레드 기기 간에 핑할 수 있으므로 노드 하나를 오프라인으로 전환하여 메시 네트워크를 테스트합니다.

노드 1로 돌아가 스레드를 중지합니다.

> thread stop
Done

노드 2로 전환하고 상태를 확인합니다. 2분 내에 노드 2는 리더 (노드 1)가 오프라인 상태임을 감지하며, 노드 2가 네트워크의 leader이 되도록 전환합니다.

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

확인되면 스레드를 중지하고 종료하기 전에 노드 2를 초기화합니다. 이 실습에서 사용한 스레드 네트워크 사용자 인증 정보가 다음 연습으로 이어지지 않도록 초기화가 실행됩니다.

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

노드 1도 초기화하고 종료합니다.

> factoryreset
>
> exit

사용 가능한 모든 CLI 명령어를 살펴보려면 OpenThread CLI 참조를 확인하세요.

5. 수수료로 노드 인증

이전 연습에서는 시뮬레이션된 기기 2개와 확인된 연결을 사용하여 스레드 네트워크를 설정합니다. 하지만 인증되지 않은 IPv6 링크-로컬 트래픽만 기기 간에 전달할 수 있습니다. 이 스레드와 인터넷 간에 스레드 테두리 라우터를 통해 전역 IPv6 트래픽을 라우팅하려면 노드를 인증해야 합니다.

인증하려면 한 기기에서 위원회의 역할을 해야 합니다. Commissioner는 현재 새 스레드 기기를 위해 선택된 선임 인증 서버이며, 기기가 네트워크에 참여하는 데 필요한 네트워크 사용자 인증 정보를 제공하는 승인자입니다.

이 연습에서는 이전과 동일한 2노드 토폴로지를 사용합니다. 인증을 위해 스레드 리더는 위원회의 역할을 하고 스레드 라우터는 조인러 역할을 합니다.

d6a67e8a0d0b5dcb.png

1. 네트워크 만들기

이전 실습을 계속 진행하면 이미 터미널 창이 두 개 열려 있어야 합니다. 그렇지 않은 경우 두 개가 열려 있고 사용할 준비가 되어 있는지 확인하세요. 하나는 노드 1로, 다른 하나는 노드 2로 제공합니다.

노드 1에서 CLI 프로세스를 만듭니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1

참고: 이 명령어를 실행한 후 > 프롬프트가 표시되지 않으면 enter를 누릅니다.

새 작업 데이터 세트를 만들고 활성 데이터 세트로 커밋한 다음 스레드를 시작합니다.

> 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

이 데이터 세트를 활성 데이터 세트로 커밋합니다.

> dataset commit active
Done

IPv6 인터페이스를 불러옵니다.

> ifconfig up
Done

스레드 프로토콜 작업 시작:

> thread start
Done

잠시 기다렸다가 기기가 스레드 리더가 되었는지 확인합니다.

> state
leader
Done

2. 커미셔너 역할 시작

노드 1에서 다음과 같이 수수료 담당자 역할을 시작합니다.

> commissioner start
Done

* 가입자를 사용하여 모든 조인러 (* 와일드 카드 사용)를 네트워크에 조인하도록 허용합니다. 조이너는 실제 관리자가 의뢰한 스레드 네트워크에 추가한 기기입니다.

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. 가입자 역할 시작

두 번째 터미널 창에서 새 CLI 프로세스를 만듭니다. 이것은 노드 2입니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 2

노드 2에서 J01NME 연결자 사용자 인증 정보를 사용하여 연결자 역할을 사용 설정합니다.

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... 확인을 위해 몇 초 동안 기다립니다 ...

Join success

조인러로서 기기 (노드 2)는 커미셔너 (노드 1)의 인증을 받았으며 스레드 네트워크 사용자 인증 정보를 받았습니다.

이제 노드 2가 인증되었으므로 스레드를 시작합니다.

> thread start
Done

4. 네트워크 인증 검증

노드 2의 state를 확인하여 이제 네트워크가 네트워크에 연결되었는지 확인합니다. 2분 내에 Node 2는 child에서 router로 전환됩니다.

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. 구성 재설정

다음 연습을 준비하려면 구성을 재설정하세요. 각 노드에서 스레드를 중지하고 초기화한 다음 시뮬레이션한 스레드 기기를 종료합니다.

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

factoryreset 명령어를 실행한 후에 > 프롬프트를 다시 표시하려면 enter를 몇 번 눌러야 할 수도 있습니다.

6. OpenThread Daemon으로 네트워크 관리

이 실습에서는 CLI 인스턴스 1개, 삽입된 SoC 스레드 기기 1개, RCP(무선 공동 프로세서) 인스턴스 1개를 시뮬레이션합니다.

ot-daemon은 UNIX 소켓을 입력 및 출력으로 사용하는 OpenThread Posix 앱의 모드로, OpenThread Core를 서비스로 실행할 수 있습니다. 클라이언트는 OpenThread CLI를 프로토콜로 사용하여 소켓에 연결하여 이 서비스와 통신할 수 있습니다.

ot-ctl은 RCP를 관리하고 구성하기 위해 ot-daemon에서 제공하는 CLI입니다. 이를 사용하여 스레드 기기에서 생성된 네트워크에 RCP를 연결합니다.

ot-demon 사용

이 연습에서는 다음에 해당하는 세 개의 터미널 창을 사용합니다.

  1. 시뮬레이션된 스레드 기기의 CLI 인스턴스 (노드 1)
  2. ot-daemon 프로세스
  3. CLI 인스턴스 ot-ctl

이전 실습을 계속 진행하면 이미 터미널 창이 두 개 열려 있어야 합니다. 세 번째 창을 열어 이 연습에 사용할 세 개의 터미널 창이 있는지 확인합니다.

1. 노드 1 시작

첫 번째 터미널 창에서 시뮬레이션된 스레드 기기의 CLI 프로세스를 생성합니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1

참고: 이 명령어를 실행한 후 > 프롬프트가 표시되지 않으면 enter를 누릅니다.

새 작업 데이터 세트를 만들고 활성 데이터 세트로 커밋한 다음 스레드를 시작합니다.

> 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

이 데이터 세트를 활성 데이터 세트로 커밋합니다.

> dataset commit active
Done

IPv6 인터페이스를 불러옵니다.

> ifconfig up
Done

스레드 프로토콜 작업 시작:

> thread start
Done

노드 스레드 인터페이스에 할당된 IPv6 주소를 확인합니다.

> 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
>

스레드 네트워크 시뮬레이션 단계에서 설명한 대로 주소 하나는 링크-로컬(fe80)이고 세 가지는 메시-로컬(fd)입니다. EID는 주소에 ff:fe00를 포함하지 않는 메시-로컬 주소입니다. 이 샘플 출력에서 EID는 fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab입니다.

ipaddr 출력에서 노드와 통신하는 데 사용할 특정 EID를 식별합니다.

2. OT데몬 시작

두 번째 터미널 창에서 openthread 디렉터리로 이동하고 노드 2를 호출할 RCP 노드의 ot-daemon를 시작합니다. -v 상세 출력을 사용하여 로그 출력을 확인하고 실행 중인지 확인할 수 있습니다.

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/posix/bin/ot-daemon -v \
    'spinel+hdlc+forkpty://output/simulation/bin/ot-rcp?forkpty-arg=2'

성공하면 상세 모드의 ot-daemon가 다음과 유사한 출력을 생성합니다.

ot-daemon[228024]: Running OPENTHREAD/20191113-00831-gfb399104; POSIX; Jun 7 2020 18:05:15
ot-daemon[228024]: Thread version: 2
ot-daemon[228024]: RCP version: OPENTHREAD/20191113-00831-gfb399104; SIMULATION; Jun 7 2020 18:06:08

이 터미널을 열어 두고 백그라운드에서 계속 실행하세요. 더 이상 명령어를 입력하지 않습니다.

3. ot-ctl을 사용하여 네트워크 연결

아직 어떤 스레드 네트워크에도 노드 2 (ot-daemon RCP)를 의뢰하지 않았습니다. 이때 ot-ctl을 사용해야 합니다. ot-ctl는 OpenThread CLI 앱과 동일한 CLI를 사용합니다. 따라서 다른 시뮬레이션된 스레드 기기와 동일한 방식으로 ot-daemon 노드를 제어할 수 있습니다.

세 번째 터미널 창에서 ot-ctl를 시작합니다.

$ ./output/posix/bin/ot-ctl
>

세 번째 터미널 창에서 ot-ctl를 사용하여 ot-daemon를 사용하여 두 번째 터미널 창에서 시작한 노드 2 (RCP 노드)를 관리합니다. 노드 2의 state를 확인합니다.

> state
disabled
Done

Node 2를 가져와서 eui64 특정한 조인자로의 조인을 제한합니다.

> eui64
18b4300000000001
Done

노드 1 (첫 번째 터미널 창)에서 Commissioner를 시작하고 해당 eui64로만 참여하도록 제한합니다.

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

노드 2 (세 번째 터미널 창)에서 네트워크 인터페이스를 불러와 네트워크에 연결합니다.

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... 확인을 위해 몇 초 동안 기다립니다 ...

Join success

조이너로서 RCP (노드 2)가 커미셔너 (노드 1)의 인증을 받았으며 스레드 네트워크 사용자 인증 정보를 받았습니다.

이제 노드 2를 스레드 네트워크에 연결합니다.

> thread start
Done

4. 네트워크 인증 검증

노드 2의 state를 확인하여 이제 네트워크가 네트워크에 연결되었는지 확인합니다. 2분 내에 Node 2는 child에서 router로 전환됩니다.

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. 연결 검사

Ctrl+D 또는 exit 명령어와 호스트 머신의 명령줄에서 ping6 명령어와 EID를 사용하여 노드 1을 핑하여 ot-ctl를 종료합니다. ot-daemon RCP 인스턴스가 성공적으로 스레드 네트워크에 조인되고 통신하면 핑이 성공합니다.

$ 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. 수고하셨습니다.

OpenThread를 사용하여 첫 번째 스레드 네트워크를 성공적으로 시뮬레이션했습니다. 좋습니다.

이 Codelab을 통해 학습한 내용은 다음과 같습니다.

  • OpenThread 빌드 도구 모음 설정
  • 스레드 네트워크 시뮬레이션
  • 스레드 노드 인증
  • OpenThread Daemon으로 스레드 네트워크 관리

자세한 내용은 다음 자료를 참고하세요.