使用 OpenThread 模拟线程网络

1. 简介

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Google 发布的 OpenThreadThread 网络协议的开源实现。Google Nest 发布了 OpenThread,供开发者广泛使用 Nest 产品中使用的技术,以加快智能家居产品开发速度。

线程规范为家庭应用定义了基于 IPv6 的可靠、安全、低功耗无线设备到设备通信协议。OpenThread 实现了所有 Thread 网络层,包括 IPv6、6LoWPAN、IEEE 802.15.4,以及 MAC 安全机制、网格链路建立服务和网格路由。

此 Codelab 会引导您在模拟设备上模拟 Thread 网络。

学习内容

  • 如何设置 OpenThread 构建工具链
  • 如何模拟 Thread 网络
  • 如何对 Thread 节点进行身份验证
  • 如何使用 OpenThread 守护程序管理 Thread 网络

所需条件

  • git
  • 具备 Linux、网络路由方面的基础知识

2. 设置构建系统

Git

完成此 Codelab 需要使用 Git。请下载并安装该应用,然后再继续。

安装后,请按照适用于您的操作系统的说明下载并构建 OpenThread。

适用于 Mac OS X 的 XCode

Mac OS X 上安装和构建 OpenThread 需要使用 XCode。

安装 XCode 后,请安装 XCode 命令行工具:

$ xcode-select --install

在 Linux / Mac OS X 上构建

以下安装说明已在 Ubuntu Server 14.04 LTS 和 Mac OS X Sierra 10.12.6 上进行了测试。

安装 OpenThread。bootstrap 命令可确保工具链已安装并且环境配置正确:

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

使用 Windows

如果您更喜欢 Windows,建议您尝试使用此 Codelab 的 Docker 版本。

3. 构建 OpenThread 应用

安装完成后,构建示例 OpenThread 应用。在本 Codelab 中,我们使用模拟示例。

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

现在,构建 OpenThread 守护程序:

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

4. 模拟线程网络

您将在此 Codelab 中使用的示例应用演示一个最小的 OpenThread 应用,该应用通过基本命令行界面 (CLI) 公开 OpenThread 配置和管理界面。

本练习介绍了 ping 另一个模拟 Thread 设备以模拟另一个 Thread 设备所需的最少步骤。

下图介绍了基本的 Thread 网络拓扑。在本练习中,我们将模拟绿色圆圈内的两个节点:线程主管和线程路由器,它们之间的连接只有一个。

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Ping 节点

1. 启动节点 1

转到 openthread 目录,并使用 ot-cli-ftd 二进制文件为模拟 Thread 设备生成 CLI 进程。

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

注意:运行此命令后,如果您没有看到 > 提示,请按 enter

此二进制文件实现了在 POSIX 之上模拟的 OpenThread 设备。IEEE 802.15.4 无线装置驱动程序在 UDP 之上实现(IEEE 802.15.4 帧在 UDP 载荷内传递)。

1 的参数是一个文件描述符,表示对于模拟设备的“工厂分配”IEEE EUI-64 的最低位。在绑定到 UDP 端口以进行 IEEE 802.15.4 无线模拟(端口 = 9000 + 文件描述符)时,也会使用此值。此 Codelab 中的模拟 Thread 设备的每个实例都将使用不同的文件描述符。

注意:在为模拟设备生成进程时,请仅使用本 Codelab 中所述的 1 或更高版本的文件描述符。0 的文件描述符专供其他用途使用。

创建一个新的操作数据集,并将其作为活跃数据集提交。Operationing Dataset 是您创建的 Thread 网络的配置。

> 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

将此数据集提交为活跃数据集:

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口:

> ifconfig up
Done

启动线程协议操作:

> thread start
Done

等待几秒钟,然后验证设备是否已成为线程领先变体。主要设备是负责管理路由器 ID 分配的设备。

> state
leader
Done

查看分配给节点 1 的线程接口的 IPv6 地址(输出会有所不同):

> 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

请注意特定的 IPv6 地址类型:

  • fd 开头 = Mesh-local
  • fe80 开头 = link-local

网状网本地地址类型进一步分类:

  • 包含 ff:fe00 = 路由器定位器 (RLOC)
  • 不包含 ff:fe00 = 端点标识符 (EID)

确定控制台输出中的 EID,并记下该 ID 以供日后使用。在上面的示例输出中,EID 为:

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

2. 启动节点 2

打开新终端并转到 openthread 目录并生成 CLI 进程。这是您的第二个模拟 Thread 设备:

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

注意:运行此命令后,如果您没有看到 > 提示,请按 enter

使用与节点 1 的操作数据集相同的值配置线程网络键和 PAN ID:

> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786
Done
> dataset panid 0xc169
Done

将此数据集提交为活跃数据集:

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口:

> ifconfig up
Done

启动线程协议操作:

> thread start
Done

设备会将自身初始化为子级。Thread Child 相当于最终用户,它是仅通过父设备传输和接收单播流量的 Thread 设备。

> state
child
Done

在 2 分钟内,您应该会看到状态从 child 切换到 router。Thread 路由器能够在 Thread 设备之间路由流量。也称为“父级”。

> state
router
Done

验证网络

验证网状网络的一种简单方法是查看路由器表。

1. 检查连接情况

在节点 2 上,获取 RLOC16。RLOC16 是设备的 RLOC IPv6 地址的最后 16 位。

> rloc16
5800
Done

在节点 1 上,检查节点 2 的 RLOC16 的路由器表。请确保节点 2 已先切换到路由器状态。

> 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 |

可在表中找到节点 1 的 0xa800 RLOC,确认它已连接到网格。

2. 从节点 2 ping 节点 1

验证两个模拟 Thread 设备之间的连接。在节点 2 中,ping 分配给节点 1 的 EID:

> 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 返回 > CLI 提示符。

测试网络

现在,您可以在两个模拟的 Thread 设备之间成功 ping 测试,方法是使一个节点离线以测试网状网络。

返回到节点 1 并停止线程:

> thread stop
Done

切换到节点 2 并检查状态。在两分钟内,节点 2 检测到领先变体(节点 1)处于离线状态,您应该会看到节点 2 过渡为网络的 leader

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

确认后,停止线程 2,然后将节点 2 恢复出厂设置。恢复出厂设置会确保此练习中使用的 Thread 网络凭据不会转到下一个练习中。

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

同时恢复出厂设置并退出节点 1:

> factoryreset
>
> exit

请参阅 OpenThread CLI 参考文档,探索所有可用的 CLI 命令。

5. 使用调试功能对节点进行身份验证

在前面的练习中,您将设置一个具有两个模拟设备和已验证连接的 Thread 网络。不过,这只允许未经身份验证的 IPv6 链路本地流量在设备之间传输。如需在它们之间(并通过线程边界路由器在互联网之间)路由全球 IPv6 流量,节点必须通过身份验证。

要进行身份验证,必须将一个设备用作调试器。调试器是当前选定的新 Thread 设备的身份验证服务器,也是提供设备加入网络所需的网络凭据的授权者。

在本练习中,我们将使用与之前相同的双节点拓扑。对于身份验证,Thread Leader 将充当调试器,Thread Router 则是 Joiner。

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1. 创建网络

如果从上一个练习继续,您应该已经打开了两个终端窗口。如果不是,请确保两个服务器都处于打开状态,并可供使用。其中一个将用作节点 1,另一个将用作节点 2。

在节点 1 中,生成 CLI 进程:

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

注意:运行此命令后,如果您没有看到 > 提示,请按 enter

创建一个新的操作数据集,将其作为活跃数据集提交,然后启动线程:

> 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

将此数据集提交为活跃数据集:

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口:

> ifconfig up
Done

启动线程协议操作:

> thread start
Done

等待几秒钟,并验证设备是否已成为线程领导者:

> state
leader
Done

2. 启动“调试器”角色

继续在 Node 1 中,启动 Commissioner 角色:

> commissioner start
Done

允许任何具有 J01NME 加入者凭据的加入者(使用 * 通配符)调试网络。联接器是由真人管理员添加到委托 Thread 网络的设备。

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. 启动 Joiner 角色

在第二个终端窗口中,生成一个新的 CLI 进程。这是节点 2。

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

在节点 2 上,使用 J01NME Joiner 凭据启用 Joiner 角色。

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... 等待几秒钟进行确认 ...

Join success

设备(节点 2)成功通过专员(节点 1)进行身份验证,并收到 Thread Network 凭据。

现在,节点 2 已通过身份验证,可以启动 Thread:

> thread start
Done

4. 验证网络身份验证

在节点 2 上检查 state,以验证它现在是否已加入网络。在两天内,节点 2 会从 child 转换到 router

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. 重置配置

为了重置下个练习,请重置配置。在每个节点上,停止线程,恢复出厂设置,然后退出模拟的线程设备:

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

factoryreset 命令之后,您可能需要多次按 enter 才能使 > 提示符恢复显示。

6. 使用 OpenThread 守护程序管理网络

在本练习中,我们将模拟一个 CLI 实例(一个嵌入式 SoC 线程设备)和一个无线协处理器 (RCP) 实例。

ot-daemon 是 OpenThread Posix 应用的模式,它使用 UNIX 套接字作为输入和输出,以便 OpenThread 核心可以作为服务运行。客户端可通过使用 OpenThread CLI 作为协议连接到套接字来与此服务通信。

ot-ctl 是由 ot-daemon 提供的 CLI,用于管理和配置 RCP。通过这种方式,我们将 RCP 连接到 Thread 设备创建的网络。

使用 OT 守护程序

本练习将使用三个终端窗口,它们对应于:

  1. 模拟 Thread 设备的 CLI 实例(节点 1)
  2. ot-daemon流程
  3. ot-ctl 个 CLI 实例

如果从上一个练习继续,您应该已经打开了两个终端窗口。打开第三个窗口,确保您拥有 3 个可供此练习使用的终端窗口。

1. 启动节点 1

在第一个终端窗口中,为模拟 Thread 设备生成 CLI 进程:

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

注意:运行此命令后,如果您没有看到 > 提示,请按 enter

创建一个新的操作数据集,将其作为活跃数据集提交,然后启动线程:

> 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

将此数据集提交为活跃数据集:

> dataset commit active
Done

启动 IPv6 接口:

> ifconfig up
Done

启动线程协议操作:

> thread start
Done

查看分配给节点 1 的线程接口的 IPv6 地址:

> 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
>

模拟线程网络步骤中所述,一个地址是链路本地地址 (fe80),三个地址是网格本地地址 (fd)。EID 是地址中不包含 ff:fe00 的网格本地地址。在此示例输出中,EID 为 fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab

ipaddr 输出中确定特定的 EID,此 ID 将用于与节点进行通信。

2. 启动 OT 守护程序

在第二个终端窗口中,导航到 openthread 目录,然后启动 RCP 节点的 ot-daemon(我们将称之为节点 2)。使用 -v 详细标志,以查看日志输出并确认其正在运行,并且请务必使用 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'

成功后,详细模式下的 ot-daemon 会生成类似于以下内容的输出:

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

将此终端保持打开状态并在后台运行。您不必在其中输入任何其他命令。

3. 使用 ot-ctl 加入网络

我们尚未将 Node 2 (ot-daemon RCP) 委托给任何 Thread 网络。这正是 ot-ctl 的用武之地。ot-ctl 使用与 OpenThread CLI 应用相同的 CLI。因此,您可以使用与模拟其他 Thread 设备相同的方式控制 ot-daemon 节点。

在第三个终端窗口中,启动 ot-ctl

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

注意:运行此命令后,如果您没有看到 > 提示,请按 enter

在本第三个终端窗口中,您将使用 ot-ctl 来管理您在通过 ot-daemon 通过第二个终端窗口启动的节点 2(RCP 节点)。检查节点 2 的 state

> state
disabled
Done

获取节点 2 的 eui64 以限制联接到特定联接器:

> eui64
18b4300000000001
Done

在节点 1(第一个终端窗口)上启动调试器,并仅联接 eui64:

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

在节点 2(第三个终端窗口)上,打开网络接口并加入网络:

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... 等待几秒钟进行确认 ...

Join success

作为一名联接人员,RCP(节点 2)已成功通过专员(节点 1)进行身份验证,并收到 Thread Network 凭据。

现在,将节点 2 加入 Thread 网络:

> thread start
Done

4. 验证网络身份验证

在节点 2 上检查 state,以验证它现在是否已加入网络。在两天内,节点 2 会从 child 转换到 router

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. 验证连接

使用 Ctrl+Dexit 命令,并在主机的命令行 ping 节点 1(结合使用其 EID 和 ping6 命令)后退出 ot-ctl。如果 ot-daemon RCP 实例成功加入并连接 Thread 网络,ping 会成功:

$ 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. 恭喜!

您已成功使用 OpenThread 模拟了第一个 Thread 网络。也很棒!

在此 Codelab 中,你学习了如何:

  • 设置 OpenThread 构建工具链
  • 模拟线程网络
  • 对 Thread 节点进行身份验证
  • 使用 OpenThread 守护程序管理 Thread 网络

如需了解详情,请浏览以下参考资料: