O Google tem o compromisso de promover a igualdade racial para as comunidades negras. Saiba como.

Como simular uma rede Thread com OpenThread

1. Introdução

26b7f4f6b3ea0700.png

A OpenThread lançada pelo Google é uma implementação de código aberto do protocolo de rede Thread. O Google Nest lançou o OpenThread para disponibilizar amplamente a tecnologia usada nos produtos Nest para desenvolvedores e acelerar o desenvolvimento de produtos para a casa conectada.

A especificação Thread define um protocolo de comunicação dispositivo a dispositivo sem fio confiável, seguro e de baixo consumo de energia para aplicativos domésticos. O OpenThread implementa todas as camadas de rede Thread, incluindo IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 com segurança MAC, estabelecimento de link de malha e roteamento de malha.

Esse codelab ajuda você a simular uma rede Thread em dispositivos simulados.

O que você vai aprender

  • Como configurar o conjunto de ferramentas de compilação do OpenThread
  • Como simular uma rede Thread
  • Como autenticar nós da linha de execução
  • Como gerenciar uma rede Thread com o OpenThread Daemon

Pré-requisitos

  • git
  • Conhecimento básico de Linux, roteamento de rede

2. Configurar o sistema de compilação

Git

O Git precisa concluir este codelab. Faça o download e instale-o antes de continuar.

Após a instalação, siga as instruções do seu SO específico para fazer o download e criar o OpenThread.

XCode para Mac OS X

O XCode é necessário para instalar e criar o OpenThread no Mac OS X.

Depois de instalar o XCode, instale as ferramentas de linha de comando do XCode:

$ xcode-select --install

Criar no Linux / Mac OS X

Estas instruções de instalação foram testadas no Ubuntu Server 14.04 LTS e no Mac OS X Sierra 10.12.6.

Instale o OpenThread. Os comandos bootstrap garantem que o conjunto de ferramentas esteja instalado e que o ambiente esteja configurado corretamente:

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

No Windows

Se você prefere o Windows, recomendamos que teste a versão do Docker deste codelab.

3. Criar apps OpenThread

Quando a instalação estiver concluída, crie o aplicativo OpenThread de exemplo. Para este codelab, estamos usando o exemplo de simulação.

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

Agora, crie Daemon do OpenThread:

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

4. Simular uma rede Thread

O aplicativo de exemplo que você usará para este codelab demonstra um aplicativo OpenThread mínimo que expõe a configuração e as interfaces de gerenciamento do OpenThread por meio de uma interface de linha de comando (CLI) básica.

Este exercício mostra as etapas mínimas necessárias para dar um ping em um dispositivo de Thread simulado de outro dispositivo Thread simulado.

A figura abaixo descreve uma topologia de rede Thread básica. Para este exercício, vamos simular os dois nós dentro do círculo verde: um Thread Leader e um Thread Router com uma única conexão entre eles.

6e3aa07675f902dc.png

Dar um ping em um nó

1. Iniciar nó 1

Navegue até o diretório openthread e crie o processo da CLI para um dispositivo Thread simulado usando o binário ot-cli-ftd.

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

Observação: se a solicitação > não for exibida depois da execução desse comando, pressione enter.

Este binário implementa um dispositivo OpenThread simulado baseado no POSIX. O driver de rádio IEEE 802.15.4 é implementado com base no UDP. Os frames IEEE 802.15.4 são transmitidos nos payloads UDP.

O argumento de 1 é um descritor de arquivo que representa os bits menos significativos do IEEE EUI-64 atribuído para o dispositivo simulado. Esse valor também é usado na vinculação a uma porta UDP para emulação de rádio IEEE 802.15.4 (porta = 9.000 + descritor de arquivo). Cada instância de um dispositivo Thread simulado neste codelab usará um descritor de arquivo diferente.

Observação:só use descritores de arquivo da 1 ou mais recentes conforme indicado neste codelab ao gerar o processo para um dispositivo simulado. Um descritor de arquivo 0 está reservado para outros usos.

Crie um novo conjunto de dados operacional e confirme-o como ativo. O conjunto de dados operacional é a configuração da rede Thread que você está criando.

> 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

Confirme este conjunto de dados como o ativo:

> dataset commit active
Done

Chame a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo da linha de execução:

> thread start
Done

Aguarde alguns segundos e verifique se o dispositivo se tornou o líder da linha de execução. O líder é o dispositivo responsável por gerenciar a atribuição de IDs do roteador.

> state
leader
Done

Veja os endereços IPv6 atribuídos à interface Thread do Node 1 (a saída será diferente):

> 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

Observe os tipos de endereço IPv6 específicos:

  • Começa com fd = mesh-local
  • Começa com fe80 = link-local

Os tipos de endereço mesh local são classificados ainda mais:

  • Contém ff:fe00 = localizador de roteadores (RLOC)
  • Não contém ff:fe00 = identificador do endpoint (EID)

Identifique o EID na saída do seu console e anote-o para uso posterior. No exemplo de saída acima, o EID é:

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

2. Iniciar nó 2

Abra um novo terminal, navegue até o diretório openthread e crie o processo da CLI. Este é o segundo dispositivo Thread simulado:

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

Observação:se a solicitação > não for exibida depois da execução desse comando, pressione enter.

Configure a chave de rede e o ID PAN usando os mesmos valores do conjunto de dados operacional do nó 1:

> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786
Done
> dataset panid 0xc169
Done

Confirme este conjunto de dados como o ativo:

> dataset commit active
Done

Chame a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo da linha de execução:

> thread start
Done

O dispositivo será inicializado como um filho. Um Thread Thread é equivalente a um Thread Device, que é um dispositivo Thread que só transmite e recebe tráfego unicast com um dispositivo Parent.

> state
child
Done

Em dois minutos, o estado mudará de child para router. Um roteador Thread é capaz de rotear o tráfego entre dispositivos Thread. Ele também é chamado de Pai.

> state
router
Done

Verificar a rede

Uma maneira fácil de verificar a rede mesh é analisar a tabela do roteador.

1. Verificar a conectividade

No nó 2, acesse o RLOC16. O RLOC16 são os últimos 16 bits do endereço IPv6 do RLOC do dispositivo.

> rloc16
5800
Done

No nó 1, verifique a tabela do roteador de RLOC16 do nó 2. Certifique-se de que o Nó 2 tenha mudado para o estado do roteador primeiro.

> 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 |

O RLOC de 0xa800 do nó 1 é encontrado na tabela, confirmando que está conectado à malha.

2. Dê um ping no nó 1 do nó 2

Verificar a conectividade entre os dois dispositivos Thread simulados. No nó 2, ping o EID atribuído ao nó 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

Pressione enter para retornar ao prompt da CLI >.

Testar a rede

Agora que você pode dar um ping entre dois dispositivos Thread simulados, teste a rede mesh pegando um nó off-line.

Volte ao nó 1 e interrompa a linha de execução:

> thread stop
Done

Alterne para o Node 2 e verifique o estado. Em dois minutos, o Nó 2 detecta que o líder (Nó 1) está off-line, e você verá a transição do Nó 2 para ser o leader da rede:

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

Após a confirmação, interrompa a linha de execução e redefina o Node 2 para a configuração original antes de sair. Uma redefinição para a configuração original é feita para garantir que as credenciais da rede Thread que usamos neste exercício não sejam transferidas para o próximo exercício.

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

Faça também a redefinição para a configuração original e saia do Nó 1:

> factoryreset
>
> exit

Consulte a Referência da CLI do Thread para ver todos os comandos da CLI disponíveis.

5. Autenticar nós com comissionamento

No exercício anterior, você configurou uma rede Thread com dois dispositivos simulados e verificação de conectividade. No entanto, isso permite que apenas o tráfego de link-local IPv6 não autenticado passe entre os dispositivos. Para rotear o tráfego IPv6 global entre eles (e a Internet por meio de um roteador de borda Thread), os nós precisam ser autenticados.

Para autenticar, um dispositivo precisa atuar como comissário. "Comissário" é o servidor de autenticação eleito para novos dispositivos Thread e o autorizador de fornecer as credenciais de rede necessárias para que os dispositivos entrem na rede.

Neste exercício, usaremos a mesma topologia de dois nós de antes. Para a autenticação, o líder de linha de execução atuará como o comissionador, o roteador de linha de execução como um Combinador.

d6a67e8a0d0b5dcb.png

1. Criar uma rede

Se você continuar com o exercício anterior, terá duas janelas de terminal abertas. Se não estiverem, verifique se duas estão abertas e prontas para uso. Um será exibido como "Node 1", o outro como "Node 2".

No nó 1, gere o processo da CLI:

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

Observação:se a solicitação > não for exibida depois da execução desse comando, pressione enter.

Crie um novo conjunto de dados operacional, confirme-o como ativo e inicie a linha de execução:

> 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

Confirme este conjunto de dados como o ativo:

> dataset commit active
Done

Chame a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo da linha de execução:

> thread start
Done

Aguarde alguns segundos e verifique se o dispositivo se tornou um líder da linha de execução:

> state
leader
Done

2. Iniciar o papel de comissário

Ainda no nó 1, inicie o papel de comissário:

> commissioner start
Done

Use qualquer credencial do Combinador (usando o caractere curinga *) com a credencial de Combinador J01NME para comissionar na rede. Um Combinador é um dispositivo adicionado por um administrador humano a uma rede Thread encomendada.

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. Iniciar o papel de Combinador

Em uma segunda janela de terminal, crie um novo processo de CLI. Este é o Nó 2.

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

No nó 2, ative o papel de Combinador usando a credencial de combinador J01NME.

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... aguarde alguns segundos para confirmar ...

Join success

Como combinador, o dispositivo (Node 2) foi autenticado corretamente com o Commissioner (Node 1) e recebeu as credenciais da Thread Network.

Agora que o Node 2 está autenticado, inicie a linha de execução:

> thread start
Done

4. Validar a autenticação da rede

Verifique o state no Node 2 para confirmar que ele agora está conectado à rede. Em dois minutos, o Node 2 fará a transição de child para router:

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. Redefinir configuração

Para se preparar para o próximo exercício, redefina a configuração. Em cada nó, pare o Thread, redefina o dispositivo para a configuração original e saia do dispositivo Thread simulado:

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit

Talvez seja necessário pressionar enter algumas vezes para exibir a solicitação > novamente após um comando factoryreset.

6. Gerenciar a rede com o OpenThread Daemon

Para este exercício, vamos simular uma instância de CLI (um único dispositivo SoC Thread incorporado) e uma instância de coprocessador de rádio (RCP).

O ot-daemon é um modo do app OpenThread Posix que usa um soquete UNIX como entrada e saída para que o núcleo OpenThread possa ser executado como um serviço. Um cliente pode se comunicar com esse serviço conectando-se ao soquete usando a CLI do OpenThread como protocolo.

ot-ctl é uma CLI fornecida por ot-daemon para gerenciar e configurar o RCP. Usando isso, conectaremos o RCP à rede criada pelo dispositivo Thread.

Usar ot-daemon

Este exercício usará três janelas de terminal, correspondentes ao seguinte:

  1. Instância de CLI do dispositivo de linha de execução simulado (Node 1)
  2. ot-daemon processo
  3. ot-ctl instância da CLI

Se você continuar com o exercício anterior, terá duas janelas de terminal abertas. Abra um terço para garantir que você tenha três janelas de terminal disponíveis para este exercício.

1. Iniciar nó 1

Na primeira janela do terminal, crie o processo de CLI para seu dispositivo Thread simulado:

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

Observação:se a solicitação > não for exibida depois da execução desse comando, pressione enter.

Crie um novo conjunto de dados operacional, confirme-o como ativo e inicie a linha de execução:

> 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

Confirme este conjunto de dados como o ativo:

> dataset commit active
Done

Chame a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo da linha de execução:

> thread start
Done

Veja os endereços IPv6 atribuídos à interface Thread do 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
>

Como explicado na etapa Simular uma rede Thread, um endereço é link-local (fe80) e três são mesh-local (fd). O EID é o endereço mesh-local que não contém ff:fe00 no endereço. Nesta saída de amostra, o EID é fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab.

Identifique o EID específico da saída do ipaddr, que será usada para se comunicar com o nó.

2. Iniciar ot-daemon

Na segunda janela do terminal, navegue até o diretório openthread e inicie ot-daemon para um nó RCP, que chamaremos de Nó 2. Use a sinalização detalhada -v para ver a saída do registro e confirmar se ela está em execução:

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

Quando bem-sucedido, o ot-daemon no modo detalhado gera uma saída semelhante a esta:

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

Deixe este terminal aberto e em execução em segundo plano. Você não inserirá mais comandos nele.

3. Usar o ot-ctl para participar da rede

Ainda não encomendamos o nó 2 (o RCP do ot-daemon) a qualquer rede Thread. É aqui que entra a ot-ctl. O ot-ctl usa a mesma CLI que o app de CLI OpenThread. Portanto, você pode controlar os nós ot-daemon da mesma forma que os outros dispositivos Thread simulados.

Em uma terceira janela de terminal, inicie ot-ctl:

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

Você usará ot-ctl nessa terceira janela de terminal para gerenciar o nó 2 (o nó RCP) que você iniciou na segunda janela do terminal usando ot-daemon. Verifique o state do nó 2:

> state
disabled
Done

Acesse o eui64 do nó 2 para restringir a participação no Combinador específico:

> eui64
18b4300000000001
Done

No Nó 1 (primeira janela de terminal), inicie o Commissioner e restrinja a mesclagem apenas a essa IU:

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

No Node 2 (terceira janela de terminal), abra a interface de rede e participe da rede:

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... aguarde alguns segundos para confirmar ...

Join success

Como combinador, o RCP (Node 2) foi autenticado corretamente com o Commissioner (Node 1) e recebeu as credenciais da Thread Network.

Agora, vincule o Node 2 à rede Thread:

> thread start
Done

4. Validar a autenticação da rede

Verifique o state no Node 2 para confirmar que ele agora está conectado à rede. Em dois minutos, o Node 2 fará a transição de child para router:

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. Validar a conectividade

Saia do ot-ctl usando o comando Ctrl+D ou exit e, na linha de comando da máquina host, dê um ping no Node 1 usando o EID com o comando ping6. Se a instância RCP do ot-daemon for mesclada e se comunicar com a rede Thread, o ping vai ser bem-sucedido:

$ 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. Parabéns!

Você testou sua primeira rede Thread usando o OpenThread. Excelente!

Neste codelab, você aprendeu a:

  • Configurar o conjunto de ferramentas de compilação do OpenThread
  • Simular uma rede Thread
  • Autenticar nós de linha de execução
  • Gerenciar uma rede Thread com OpenThread Daemon

Para saber mais, veja estas referências: