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OpenThread での Thread ネットワークのシミュレート

1. はじめに

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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 製品で使用されるテクノロジーを広く利用できるようにするために 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きました。

Thread 仕様は、家庭用アプリケーション向けの IPv6 ベースの信頼性が高く、安全で低電力のワイヤレス デバイス間通信プロトコルを定義しています。OpenThread は、MAC セキュリティ、メッシュリンク確立、メッシュルーティングを備えた IPv6、6LoWPAN、IEEE 802.15.4 を含むすべてのスレッドネットワーキングレイヤを実装します。

この Codelab では、シミュレートしたデバイスで Thread ネットワークをシミュレートする手順を説明します。

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 を使用して 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. ビルドシステムを設定する

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。

インストールしたら、お使いの 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 の 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 コマンドライン ツールをインストールします。

$ xcode-select --install

Linux / Mac OS X でビルド

これらのインストール手順は、Ubuntu Server 14.04 LTS と Mac OS X Sierra 10.12.6 でテスト済みです。

OpenThread をインストールします。bootstrap コマンドを実行して、ツールチェーンがインストールされ、環境が適切に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
$ ./bootstrap

Windows の場合

Windows の場合は、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、サンプル OpenThread アプリケーションを構築します。この Codelab ではシミュレーションの例を示します。

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

次に、OpenThread Daemon をビルドします。

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

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 構成および管理インターフェースを公開する、最小限の OpenThread アプリケーションです。

この演習では、シミュレーションした Thread デバイスから別の Thread デバイスまで ping を行うために必要な最小限の手順を説明します。

次の図に、基本的な Thread ネットワーク トポロジを示します。この演習では、緑色の円の中の 2 つのノード(Thread Leader と Thread Router 間の単一接続)をシミュレートします。

6e3aa07675f902dc.png

ノードに ping する

1. ノード 1 を起動します

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
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1

注: このコマンドを実行した後に > プロンプトが表示されない場合は、enter を押してください。

このバイナリは、POSIX 上に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 上に実装されています(IEEE 802.15.4 フレームは UDP ペイロードで渡されます)。

1 の引数は、「工場で割り当て済み」のシミュレーションされたデバイスの 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(ポート = 9000 + ファイル記述子)の UDP ポートにバインドする場合にも使用されます。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: この Codelab でシミュレートするデバイスのプロセスを生成する際は、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使用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 commit します。オペレーション 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 commit 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 Leader 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

ノード 1 のスレッド 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 アドレスタイプに注意してください。

  • fd = Mesh-local で始まる
  • 先頭が fe80 = リンクローカル

メッシュのローカル アドレスタイプはさらに分類されます。

  • ff:fe00 = Router ロケーター(RLOC)を含む
  • ff:fe00 を含まない = エンドポイント識別子(EID)

コンソール出力で後で使用できるように、EID をメモしておきます。上記のサンプル出力では、EID は次のようになります。

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

2. ノード 2 を起動します

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 つ目のシミュレーション Thread デバイスです。

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

注: このコマンドを実行した後に > プロンプトが表示されない場合は、enter を押してください。

ノード 1 の運用データセットと同じ値を使用して、スレッド ネットワーク キーと PAN ID を設定します。

> 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 commit 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

デバイス自体が子として初期化されます。スレッドの子はエンドデバイスに相当します。エンドデバイスは、親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スレッド デバイスです。

> state
child
Done

2 分以内に、状態が child から router に変わります。Thread Router は、Thread デバイス間で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 ネットワークを確認する簡単な方法は、ルーターのテーブルを確認することです。

1. 接続を確認する

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 のルーターの表でノード 2 の RLOC16 を確認します。まず、ノード 2 がルーターの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 0xa800 の RLOC がテーブルにあり、それがメッシュに接続されていることを確認します。

2. ノード 2 からノード 1 に ping を実行する

シミュレートされた 2 つの 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 の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 に戻って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する。2 分以内に、ノード 2 はリーダー(ノード 1)がオフラインであることを検出すると、ノード 2 がネットワークの leader に遷移することを確認します。

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

確認したら、スレッドを終了し、ノード 2 を出荷時設定にリセットしてから終了します。出荷時の設定へのリセットは、この演習で使用した Thread ネットワーク認証情報が次の演習に引き継がれるように行われます。

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

また、ノード 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 つのシミュレーション デバイスと確認済みの接続を使用して Thread ネットワークを設定します。ただし、この方法では、認証されていない IPv6 リンクローカル トラフィックのみをデバイス間で通過させることができます。ノード間で(および Thread の境界ルーターを介したインターネットで)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 台のデバイスがコミッショナーとして動作する必要があります。コミッショナーは、新しい Thread デバイス用に現在選択されている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ための承認者です。

この演習では、前と同じ 2 ノードトポロジを使用します。Thread リーダーはコミッショナーとして、Thread ルーターは Joiner として機能します。

d6a67e8a0d0b5dcb.png

1. ネットワークの作成

前の演習を続ける場合は、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。必要ない場合は、2 台が開いていることと、使用できる状態であることを確認してください。1 つはノード 1、2 つはノード 2 として機能します。

ノード 1 で、CLI プロセスを生成します。

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

注: このコマンドを実行した後に > プロンプトが表示されない場合は、enter を押してください。

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 commit して Thread を起動します。

> 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 commit 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. コミッショナーのロールを開始する

ノード 1 で、コミッショナーのロールを開始します。

> commissioner start
Done

* ワイルドカードを使用して)任意の Joiner に、J01NME Joiner 認証情報を使用してネットワークへのコミッションを許可します。Joiner は、委託先のスレッド ネットワークに人間の管理者が追加するデバイスです。

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. Joiner のロールを開始する

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
$ ./output/simulation/bin/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

... 確認まで数秒待ちます ...

Join success

Joiner として、デバイス(ノード 2)はコミッショナー(ノード 1)で自身を正常に認証し、Thread ネットワーク認証情報を受信します。

ノード 2 が認証されたら、Thread を起動します。

> thread start
Done

4. ネットワーク認証を検証する

ノード 2 の state を調べて、ネットワークに参加していることを確認します。2 分以内に、ノード 2 は 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、出荷時の設定にリセットし、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 > プロンプトに戻るには、enter を数回押すことが必要になる場合があります。

6. OpenThread Daemon を使用して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 スレッド デバイス)と 1 つの無線コプロセッサ(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 を管理および構成するために ot-daemon によって提供される CLI です。これを使用して、RCP をスレッド 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、以下に対応する 3 つのターミナル ウィンドウを使用します。

  1. シミュレートされた Thread デバイスの CLI インスタンス(ノード 1)
  2. ot-daemon 個のプロセス
  3. ot-ctl CLI インスタンス

前の演習を続ける場合は、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 つ目のターミナルを開いて、この演習に 3 つのターミナル ウィンドウがあることを確認します。

1. ノード 1 を起動します

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
$ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1

注: このコマンドを実行した後に > プロンプトが表示されない場合は、enter を押してください。

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 commit して Thread を起動します。

> 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 commit 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

ノード 1 のスレッド 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
>

スレッド ネットワークをシミュレートする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 つのアドレスはメッシュローカル(fd)です。EID は、アドレスに ff:fe00 を含まないメッシュ ローカル アドレスです。このサンプル出力では、EID は fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab です。

ipaddr 出力から特定の EID を特定します。これは、ノードとの通信に使用されます。

2. ot-daemon を起動する

2 つ目のターミナル ウィンドウで、openthread ディレクトリに移動し、ノード 2 と呼ばれる RCP ノードの ot-daemon を起動します。-v 詳細フラグを使用すると、ログ出力を表示して実行されています。

$ cd ~/src/openthread
$ ./output/posix/bin/ot-daemon -v \
    'spinel+hdlc+forkpty://output/simulation/bin/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[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

このターミナルは開いたまま、バックグラウンドで動作したままにします。これ以降はコマンドを入力しません。

3. ot-ctl を使用してネットワークに参加する

ノード 2(ot-daemon RCP)をまだ Thread ネットワークに送信していません。そこで役立つのが ot-ctl です。ot-ctl は OpenThread CLI アプリと同じ CLI を使用するため、他のシミュレーション 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 を開始します。

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

この 3 つ目のターミナル ウィンドウで ot-ctl を使用し、ot-daemon を使って 2 つ目のターミナル ウィンドウで開始したノード 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

ノード 2 の eui64 を取得し、参加を特定の Joiner に制限します。

> 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 eui64 のみに制限します。

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

ノード 2(第 3 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

... 確認まで数秒待ちます ...

Join success

Joiner として、RCP(ノード 2)はコミッショナー(ノード 1)で自身を正常に認証し、Thread ネットワーク認証情報を受信します。

Node 2 を Thread ネットワークに接続します。

> thread start
Done

4. ネットワーク認証を検証する

ノード 2 の state を調べて、ネットワークに参加していることを確認します。2 分以内に、ノード 2 は child から router に移行します。

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. 接続の検証

Ctrl+D または exit コマンドを使用して ot-ctl を終了します。その際、ホストマシンのコマンドラインから、EID を使用して ping6 コマンドを実行してノード 1 に対して ping を実行します。ot-daemon RCP インスタンスが Thread ネットワークに正常に参加して Thread ネットワークと通信した場合、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しました。お疲れさまでした。

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 を使用して Thread ネットワークを管理する

詳細については、以下の参考資料をご覧ください。