1. 簡介
Google 發布的 OpenThread 是 Thread 網路通訊協定的開放原始碼實作。Google Nest 已發布 OpenThread，讓開發人員以廣泛的方式使用 Nest 產品所採用的技術，加快智慧聯網家庭的產品開發速度。
Thread 規格定義了以 IPv6 為基礎的可靠、低功耗的無線裝置對裝置通訊通訊協定，適用於家庭應用程式。OpenThread 實作所有 Thread 網路層，包括 IPv6、6LoWPAN、IEEE 802.15.4 及 MAC 安全、網格連結建立和網格轉送。
本程式碼研究室將引導您在模擬裝置上模擬 Thread 網路。
課程內容
- 如何設定 OpenThread 建構工具鍊
- 如何模擬 Thread 網路
- 如何驗證執行緒節點
- 如何使用 OpenThread Daemon 管理 Thread 網路
軟硬體需求
- Git
- 瞭解 Linux、網路轉送的基本知識
2. 設定建構系統
Git
需要 Git 才能完成本程式碼研究室。請先下載並安裝該應用程式，再繼續操作。
安裝完成後，請按照特定作業系統的操作說明下載及建立 OpenThread。
Mac OS X 的 XCode
在 Mac OS X 上安裝和建構 OpenThread 時，必須使用 XCode。
安裝 XCode 後，請安裝 XCode 指令列工具：
$ xcode-select --install
使用 Linux / Mac OS X 進行建構
這些安裝操作說明已在 Ubuntu Server 14.04 LTS 和 Mac OS X Sierra 10.12.6 上經過測試。
安裝 OpenThread。bootstrap 指令會確保工具鍊已安裝且環境設定正確：
$ mkdir -p ~/src $ cd ~/src $ git clone --recursive https://github.com/openthread/openthread.git $ cd openthread $ ./script/bootstrap $ ./bootstrap
使用 Windows
如果您偏好 Windows，建議您使用這個程式碼研究室的 Docker 版本。
3. 建構 OpenThread 應用程式
安裝完成後，請建構 OpenThread 應用程式範例。在本程式碼研究室中，我們使用模擬範例。
$ cd ~/src/openthread $ ./script/cmake-build simulation
現在，請開啟 OpenThread Daemon：
$ ./script/cmake-build posix -DOT_DAEMON=ON
4. 模擬 Thread 網路
您在本程式碼研究室中使用的範例應用程式，示範了最低的 OpenThread 應用程式，並透過基本指令列介面 (CLI) 顯示 OpenThread 設定和管理介面。
本練習將引導您完成，對其他模擬的 Thread 裝置進行連線偵測的 Thread 裝置所需的基本步驟。
下圖說明基本的執行緒網路拓撲。在本練習中，我們會模擬綠色圓圈中的兩個節點：執行緒主管和執行緒路由器，在兩者之間有一個連線。
對節點進行連線偵測 (ping)
1. 啟動節點 1
前往 openthread 目錄，並使用 ot-cli-ftd 二進位檔為模擬的 Thread 裝置建立 CLI 程序。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注意：如果執行這個指令後，沒有看到 > 提示，請按下 enter。
這個二進位檔會實作在 POSIX 上方模擬的 OpenThread 裝置。IEEE 802.15.4 無線電驅動程式可在 UDP 之上實作 (IEEE 802.15.4 影格會在 UDP 酬載中傳遞)。
1 的引數為檔案描述元，代表「工廠指派」的 IEEE EUI-64，適用於模擬裝置。繫結至 IEEE 802.15.4 無線電模擬 (通訊埠 = 9000 + 檔案描述元) 的 UDP 通訊埠時，也會使用這個值。在本程式碼研究室中，模擬 Thread 裝置的每個執行個體都會使用不同的檔案描述元。
注意：只有在為模擬裝置建立程序時，僅如本程式碼研究室所述，使用 1 以上的檔案描述元。0 檔案描述元會保留供其他用途。
建立新的作業資料集，並將其視為使用中的資料集。作業資料集是指您建立的 Thread 網路設定。
> 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
將這個資料集設為使用中的資料集：
> dataset commit active Done
啟動 IPv6 介面：
> ifconfig up Done
啟動 Thread 通訊協定作業：
> thread start Done
等待幾秒鐘，確認裝置已成為 Thread 領導者。「領導者」是指負責管理路由器 ID 的裝置。
> state leader Done
查看指派給節點 1's Thread 介面的 IPv6 位址 (輸出內容不同)：
> 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
請留意特定的 IPv6 位址類型：
- 開頭為
fd= vertical-local - 開頭為
fe80= link-local
網格本機位址類型會進一步分類：
- 包含「
ff:fe00」= 路由器定位器 (RLOC) - 不包含
ff:fe00= 端點 ID (EID)
在主控台的輸出內容中識別 EID，並記下該 ID，以供日後使用。在上方的範例輸出中，EID 為：
fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6
2. 啟動節點 2
開啟新的終端機並前往 openthread 目錄，並產生 CLI 程序。這是您第二個模擬的 Thread 裝置：
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2
注意：如果執行這個指令後，沒有看到 > 提示，請按下 enter。
使用與節點 1's 作業資料集相同的值來設定執行緒網路金鑰和 PAN ID：
> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786 Done > dataset panid 0xc169 Done
將這個資料集設為使用中的資料集：
> dataset commit active Done
啟動 IPv6 介面：
> ifconfig up Done
啟動 Thread 通訊協定作業：
> thread start Done
裝置將會自行初始化為子項。「Thread Child」值等同於「End Device」裝置，這是一種 Thread 裝置，只能透過家長裝置傳輸及接收非個人化流量。
> state child Done
您應該會在 2 分鐘內看到狀態從「child」切換為「router」。Thread 路由器可讓您在 Thread 裝置之間轉送流量。也稱為「上層」。
> state router Done
驗證網路
如要驗證網狀網路，最簡單的方法就是查看路由器表格。
1. 檢查連線狀態
在節點 2 上取得 RLOC16。RLOC16 是裝置 RLOC IPv6 位址的最後 16 位元。
> rloc16 5800 Done
在節點 1 上，檢查節點 2's RLOC16 的路由器表格。請確認節點 2 已先切換至路由器狀態。
> 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 |
在表格中找到 0xa800 的節點 1' 的 RLOC，確認其已連上網格。
2. 從節點 2 連線節點 1
確認兩部模擬的 Thread 裝置之間的連線。在節點 2 中，ping 指派給節點 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
按下 enter 即可返回 > CLI 提示。
測試網路
現在您可以成功在兩個模擬的 Thread 裝置之間進行連線偵測 (ping)，測試一個節點離線即測試網狀網路。
返回節點 1 並停止執行緒：
> thread stop Done
請切換至節點 2 並查看狀態。節點會在 2 分鐘內偵測到領導者 (節點 1) 處於離線狀態，您應該會看到節點 2 是網路的 leader：
> state router Done ... > state leader Done
確認後，請停止執行緒並退出節點 2，然後再退出。手機會恢復原廠設定，確保這項練習中使用的 Thread 網路憑證不會套用到下一個練習。
> thread stop Done > factoryreset > > exit
一併恢復原廠設定並結束節點 1：
> factoryreset > > exit
請參閱 OpenThread CLI 參考資料，探索所有可用的 CLI 指令。
5. 使用佣金驗證節點
在先前的練習中，您使用兩個模擬裝置和經過驗證的連線設定 Thread 網路。不過，這個選項只允許未驗證的 IPv6 連結本機流量在裝置之間傳輸。如要在兩者之間轉送全域 IPv6 流量 (並透過執行緒邊界路由器轉送網際網路)，就必須驗證節點。
為完成驗證，一部裝置必須擔任專員。委員會目前是新的 Thread 裝置所選擇的驗證伺服器，並且是提供裝置加入網路所需的網路憑證的授權器。
在本練習中，我們會使用和之前一樣的雙節點拓撲。為進行驗證，執行緒主管將擔任者，執行緒路由器則視為彙整者。
1. 建立網路
如果接續先前的練習，您應該已經開啟兩個終端機視窗。否則，請確認兩個已開啟且可供使用。一個將作為節點 1，另一個則用節點 2。
在節點 1 中，產生 CLI 程序：
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注意：如果執行這個指令後，沒有看到 > 提示，請按下 enter。
建立新的作業資料集，並將其視為使用中的資料集，然後啟動 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
將這個資料集設為使用中的資料集：
> dataset commit active Done
啟動 IPv6 介面：
> ifconfig up Done
啟動 Thread 通訊協定作業：
> thread start Done
等待幾秒鐘，確認裝置已成為 Thread 主管：
> state leader Done
2. 開始建立專員角色
在 Node 1 上，啟動 Commissioner 角色：
> commissioner start Done
允許任何使用 J01NME 加入會議憑證的 * 萬用字元加入網路。「彙整者」是一種由人工管理員新增至受管 Thread 網路的裝置。
> commissioner joiner add * J01NME Done
3. 啟動「加入者」角色
在第二個終端機視窗中，啟動新的 CLI 程序。這是節點 2。
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2
在節點 2 上，使用 J01NME 聯合憑證憑證啟用彙整工具角色。
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... 請稍候片刻，以便確認 ...
Join success
作為加入者，裝置 (節點 2) 已成功通過委員會 (節點 1) 的驗證，並已收到 Thread Network 憑證。
節點 2 現已通過驗證，請開始執行 Thread：
> thread start Done
4. 驗證網路驗證
檢查節點 2 的 state，確認現已加入網路。2 分鐘內，節點 2 從 child 轉換至 router：
> state child Done ... > state router Done
5. 重新設定
如要為下一個練習做準備，請重設設定。在每個節點上停止 Thread 恢復原廠設定，然後結束模擬的 Thread 裝置：
> thread stop Done > factoryreset > > exit
執行 factoryreset 指令後，您可能需要按 enter 幾次，才能恢復 > 提示。
6. 使用 OpenThread Daemon 管理網路
在本練習中，我們會模擬一個 CLI 執行個體 (一個嵌入式 SoC Thread 裝置) 和一個無線電共同處理器 (RCP) 執行個體。
ot-daemon 是 OpenThread Posix 應用程式的模式，使用 UNIX 通訊端做為輸入和輸出，以便 OpenThread 核心以服務形式執行。用戶端可以使用 OpenThread CLI 做為通訊協定來連線至通訊端，藉此與這項服務進行通訊。
ot-ctl 是 ot-daemon 提供的 CLI，用於管理及設定 RCP。我們透過這個機制將 RCP 連線至 Thread 裝置建立的網路。
使用 ot-daemon
這個練習將使用三個終端機視窗，如下所示：
- 模擬 Thread 裝置的 CLI 執行個體 (節點 1)
ot-daemon項程序ot-ctl個 CLI 執行個體
如要繼續進行上一個練習，您應該已經開啟兩個終端機視窗。開啟第三個項目，確保在這個練習中可以使用三個終端機視窗。
1. 啟動節點 1
在第一個終端機視窗中，為模擬的 Thread 裝置產生 CLI 程序：
$ cd ~/src/openthread $ ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1
注意：如果執行這個指令後，沒有看到 > 提示，請按下 enter。
建立新的作業資料集，並將其視為使用中的資料集，然後啟動 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
將這個資料集設為使用中的資料集：
> dataset commit active Done
啟動 IPv6 介面：
> ifconfig up Done
啟動 Thread 通訊協定作業：
> thread start Done
查看指派給節點 1's 執行緒介面的 IPv6 位址：
> 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 >
如「模擬執行緒網路」步驟所述，一個位址是連結本機 (fe80)，而三個位址是網格本機 (fd)。EID 是不含本機 ff:fe00 的網格本機位址。在這個範例中，EID 為 fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab。
找出 ipaddr 輸出中的特定 EID，用於與節點通訊。
2. 開始 ot-daemon
在第二個終端機視窗中，前往 openthread 目錄，然後為 RCP 節點啟動 ot-daemon (也就是所謂的節點 2)。使用 -v 詳細標記以便查看記錄輸出並確認其正在執行，並確保使用 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'
如果成功，詳細模式中的 ot-daemon 會產生類似以下的輸出內容：
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
將此終端機保持開啟並在背景中執行。請勿在其中輸入任何其他指令。
3. 使用 ot-ctl 加入網路
我們尚未將節點 2 (ot-daemon RCP) 提交至任何 Thread 網路。這時 ot-ctl 就能派上用場。ot-ctl 使用與 OpenThread CLI 應用程式相同的 CLI。因此，您可以使用與其他模擬 Thread 裝置相同的方式控制 ot-daemon 節點。
在第三個終端機視窗中啟動 ot-ctl：
$ sudo ./build/posix/src/posix/ot-ctl >
注意：如果執行這個指令後，沒有看到 > 提示，請按下 enter。
您會在這個第三個終端機視窗中使用 ot-ctl，管理您在第二個終端機視窗中透過 ot-daemon 啟動的節點 2 (RCP 節點)。檢查節點 2 的 state：
> state disabled Done
取得節點 2' eui64，限制加入特定彙整器：
> eui64 18b4300000000001 Done
在節點 1 (第一個終端機視窗) 上，啟動佣金器，並限制只新增至該 eui64：
> commissioner start Done > commissioner joiner add 18b4300000000001 J01NME Done
在節點 2 (第三個終端機視窗) 上啟動網路介面並加入網路：
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... 請稍候片刻，以便確認 ...
Join success
作為彙整者，RCP (節點 2) 已成功通過委員會 (節點 1) 的驗證，並已收到 Thread 網路憑證。
現在，將節點 2 加入 Thread 網路：
> thread start Done
4. 驗證網路驗證
檢查節點 2 的 state，確認現已加入網路。2 分鐘內，節點 2 從 child 轉換至 router：
> state child Done ... > state router Done
5. 驗證連線
使用 Ctrl+D 或 exit 指令退出 ot-ctl，然後在主機機器的指令列上透過 ot-ctl 指令使用 ping6 ID，結束 ping6 連線。如果 ot-daemon RCP 執行個體已成功加入 Thread 網路並與其通訊，則連線偵測 (ping) 會成功：
$ 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 模擬第一個 Thread 網路。太棒了！
在本程式碼研究室中，您瞭解如何：
- 設定 OpenThread 建構工具鍊
- 模擬 Thread 網路
- 驗證執行緒節點
- 使用 OpenThread Daemon 管理 Thread 網路
如要瞭解詳情，請探索下列參考資料：