1. Giới thiệu
OpenThread do Google phát hành là triển khai nguồn mở của giao thức mạng Thread. Google Nest đã phát hành OpenThread để cung cấp công nghệ này trong các sản phẩm Nest cho nhiều nhà phát triển, giúp đẩy nhanh quá trình phát triển sản phẩm cho nhà thông minh.
Thông số kỹ thuật của luồng xác định giao thức giao tiếp giữa thiết bị và thiết bị không dây với độ tin cậy, dựa trên IPv6 dành cho các ứng dụng gia đình. OpenThread triển khai tất cả các lớp mạng Thread bao gồm IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 với bảo mật MAC, Mesh Link SETUP và Mesh Route.
Lớp học lập trình này hướng dẫn bạn mô phỏng Mạng trên Thread trên các thiết bị mô phỏng.
Kiến thức bạn sẽ học được
- Cách thiết lập chuỗi công cụ bản dựng OpenThread
- Cách mô phỏng Mạng chuỗi
- Cách xác thực nút Luồng
- Cách quản lý mạng Thread bằng OpenThread Daemon
Bạn cần có
- git
- Kiến thức cơ bản về Linux, định tuyến mạng
2. Thiết lập hệ thống bản dựng
Git
Cần có Git để hoàn thành Lớp học lập trình này. Hãy tải xuống và cài đặt ứng dụng này trước khi tiếp tục.
Sau khi cài đặt, hãy làm theo hướng dẫn dành cho hệ điều hành cụ thể để tải xuống và xây dựng OpenThread.
XCode cho Mac OS X
Bạn cần phải có XCode để cài đặt và tạo OpenThread trên Mac OS X.
Sau khi cài đặt XCode, hãy cài đặt Công cụ dòng lệnh XCode:
$ xcode-select --install
Xây dựng trên Linux / Mac OS X
Những hướng dẫn cài đặt này đã được thử nghiệm trên Ubuntu Server 14.04 LTS và Mac OS X Sierra 10.12.6.
Cài đặt OpenThread. Các lệnh bootstrap đảm bảo chuỗi công cụ được cài đặt và môi trường được định cấu hình đúng:
$ mkdir -p ~/src $ cd ~/src $ git clone --recursive https://github.com/openthread/openthread.git $ cd openthread $ ./script/bootstrap $ ./bootstrap
Sử dụng Windows
Nếu thích Windows, bạn nên dùng thử phiên bản Docker của Lớp học lập trình này.
3. Xây dựng ứng dụng OpenThread
Sau khi cài đặt xong, hãy tạo ứng dụng OpenThread mẫu. Đối với Lớp học lập trình này, chúng ta sẽ dùng ví dụ mô phỏng.
$ cd ~/src/openthread $ make -f examples/Makefile-simulation
Bây giờ hãy tạo OpenThread Daemon:
$ cd ~/src/openthread $ make -f src/posix/Makefile-posix DAEMON=1
4. Mô phỏng một mạng Chuỗi
Ứng dụng mẫu bạn sẽ sử dụng cho Lớp học lập trình này minh họa ứng dụng OpenThread tối thiểu để hiển thị giao diện quản lý và cấu hình OpenThread thông qua giao diện dòng lệnh cơ bản (CLI).
Bài tập này sẽ hướng dẫn bạn các bước tối thiểu cần thiết để ping một thiết bị Chuỗi đã mô phỏng trên một thiết bị Chuỗi khác được mô phỏng.
Hình bên dưới mô tả một cấu trúc liên kết mạng Thread cơ bản. Đối với bài tập này, chúng ta sẽ mô phỏng hai nút trong vòng tròn màu xanh lục: Trưởng bộ chỉ và Bộ định tuyến luồng bằng một kết nối duy nhất giữa hai nút.
Ping nút
1. Nút bắt đầu 1
Chuyển đến thư mục openthread và mở ra quy trình CLI cho một thiết bị Chuỗi đã mô phỏng bằng tệp nhị phân ot-cli-ftd.
$ cd ~/src/openthread $ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1
Lưu ý: Nếu bạn không thấy lời nhắc > sau khi chạy lệnh này, hãy nhấn vào enter.
Tệp nhị phân này triển khai một thiết bị OpenThread mô phỏng trên đỉnh của POSIX. Trình điều khiển vô tuyến IEEE 802.15.4 được triển khai trên đầu UDP (khung IEEE 802.15.4 được chuyển trong tải trọng UDP).
Đối số của 1 là phần mô tả tệp thể hiện các bit ít quan trọng nhất của "Factory do Hoạt động chỉ định" IEEE EUI-64 cho thiết bị được mô phỏng. Giá trị này cũng được sử dụng khi liên kết với cổng UDP cho mô phỏng radio IEEE 802.15.4 (cổng = 9000 + bộ mô tả tệp). Mỗi bản sao của một thiết bị Chuỗi đã mô phỏng trong Lớp học lập trình này sẽ sử dụng trình mô tả tệp khác nhau.
Lưu ý: Chỉ sử dụng trình mô tả tệp 1 trở lên như đã ghi chú trong Lớp học lập trình này khi tạo quy trình cho thiết bị được mô phỏng. Phần mô tả tệp 0 được dành riêng cho mục đích sử dụng khác.
Tạo Tập dữ liệu hoạt động mới và cam kết đó là dữ liệu đang hoạt động. Tập dữ liệu hoạt động là cấu hình cho Mạng chuỗi mà bạn đang tạo.
> 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
Cam kết tập dữ liệu này là tập dữ liệu đang hoạt động:
> dataset commit active Done
Hiển thị giao diện IPv6:
> ifconfig up Done
Bắt đầu thao tác Giao thức chuỗi:
> thread start Done
Đợi vài giây và xác minh rằng thiết bị đã trở thành Trưởng nhóm chuỗi. Trưởng nhóm là thiết bị chịu trách nhiệm quản lý việc chỉ định mã nhận dạng bộ định tuyến.
> state leader Done
Xem các địa chỉ IPv6 được chỉ định cho giao diện Thread của Nút 1\39; đầu ra của bạn sẽ khác nhau):
> 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
Lưu ý các loại địa chỉ IPv6 cụ thể:
- Bắt đầu bằng
fd= mesh-local - Bắt đầu bằng
fe80= link-local
Các loại địa chỉ mạng địa phương được phân loại thêm:
- Chứa
ff:fe00= Bộ định tuyến bộ định tuyến (RLAT) - Không chứa
ff:fe00= Mã nhận dạng điểm cuối (EID)
Xác định EID trong dữ liệu đầu ra của bảng điều khiển. Hãy ghi chú lại để sử dụng sau này. Trong kết quả mẫu ở trên, EID là:
fd61:2344:9a52:ede0:d041:c5ba:a7bc:5ce6
2. Bắt đầu Nút 2
Mở một thiết bị đầu cuối mới rồi chuyển đến thư mục openthread và mở ra quá trình CLI. Đây là thiết bị Chuỗi cuộc trò chuyện mô phỏng thứ hai của bạn:
$ cd ~/src/openthread $ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 2
Lưu ý: Nếu bạn không thấy lời nhắc > sau khi chạy lệnh này, hãy nhấn vào enter.
Định cấu hình Khóa mạng Thread và Mã PAN, sử dụng các giá trị giống như Tập dữ liệu hoạt động của Nút 1\39:
> dataset networkkey e4344ca17d1dca2a33f064992f31f786 Done > dataset panid 0xc169 Done
Cam kết tập dữ liệu này là tập dữ liệu đang hoạt động:
> dataset commit active Done
Hiển thị giao diện IPv6:
> ifconfig up Done
Bắt đầu thao tác Giao thức chuỗi:
> thread start Done
Thiết bị sẽ tự khởi chạy với tư cách là trẻ em. Phần tử con Thread tương đương với Thiết bị cuối, là một thiết bị Thread truyền và nhận lưu lượng truy cập unicast chỉ với một Thiết bị mẹ.
> state child Done
Trong vòng 2 phút, bạn sẽ thấy nút chuyển trạng thái từ child sang router. Bộ định tuyến luồng có khả năng định tuyến lưu lượng truy cập giữa các thiết bị Thread. Đây cũng được gọi là Cấp độ gốc.
> state router Done
Xác minh mạng
Một cách dễ dàng để xác minh mạng lưới là xem bảng bộ định tuyến.
1. Kiểm tra tình trạng kết nối
Trên Nút 2, hãy nhận RLAT16. RLAT16 là 16 bit cuối cùng của địa chỉ RLAT IPv6 của thiết bị.
> rloc16 5800 Done
Trên Nút 1, hãy kiểm tra bảng bộ định tuyến cho RLAT16 của Nút 2. Trước tiên, hãy đảm bảo rằng Nút 2 đã chuyển sang trạng thái bộ định tuyến.
> 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 |
Đã tìm thấy RLAT của nút 1\39; 0xa800 trong bảng, xác nhận rằng nút này đã được kết nối với lưới.
2. Nút 1 từ nút 2
Xác minh khả năng kết nối giữa hai thiết bị Chuỗi đã mô phỏng. Trong Nút 2, ping EID được chỉ định cho Nút 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
Nhấn enter để quay lại lời nhắc CLI >.
Kiểm tra mạng
Giờ đây, bạn có thể ping thành công giữa hai thiết bị Chuỗi đã mô phỏng, kiểm tra mạng lưới bằng cách đưa một nút vào chế độ ngoại tuyến.
Quay lại Nút 1 và dừng Chuỗi:
> thread stop Done
Chuyển sang Nút 2 và kiểm tra trạng thái. Trong vòng hai phút, Nút 2 phát hiện thấy biến thể dẫn đầu (Nút 1) ngoại tuyến và bạn sẽ thấy Nút 2 chuyển đổi thành leader của mạng:
> state router Done ... > state leader Done
Sau khi xác nhận, hãy dừng Luồng và Đặt lại nút 2 về trạng thái ban đầu trước khi thoát. Thao tác đặt lại về trạng thái ban đầu được thực hiện để đảm bảo rằng thông tin đăng nhập mạng Thread mà chúng ta dùng trong bài tập này sẽ không được chuyển sang bài tập tiếp theo.
> thread stop Done > factoryreset > > exit
Đồng thời đặt lại về trạng thái ban đầu và thoát khỏi Nút 1:
> factoryreset > > exit
Xem Tham khảo OpenLI CLI để khám phá tất cả các lệnh CLI có sẵn.
5. Xác thực nút bằng tính năng Phí hoa hồng
Trong bài tập trước, bạn thiết lập mạng Thread với hai thiết bị mô phỏng và khả năng kết nối đã xác minh. Tuy nhiên, điều này chỉ cho phép lưu lượng truy cập cục bộ liên kết IPv6 chưa được xác thực chuyển giữa các thiết bị. Để định tuyến lưu lượng truy cập IPv6 chung giữa các nguồn này (và Internet qua bộ định tuyến biên của Thread), các nút phải được xác thực.
Để xác thực, một thiết bị phải đóng vai trò là Ủy viên. Ủy viên là máy chủ xác thực hiện được bầu cho các thiết bị Chuỗi mới và là người ủy quyền cung cấp thông tin đăng nhập mạng cần thiết để các thiết bị tham gia mạng.
Trong bài tập này, chúng ta sẽ sử dụng cùng một cấu trúc liên kết hai nút như trước đây. Để xác thực, Trưởng nhóm chuỗi sẽ đóng vai trò là Ủy viên, Bộ định tuyến chuỗi với tư cách là Người tham gia.
1. Tạo mạng
Nếu tiếp tục từ bài tập trước, bạn phải mở hai cửa sổ dòng lệnh. Nếu không, hãy chắc chắn rằng hai thiết bị đang mở và sẵn sàng sử dụng. Một nút sẽ phân phát dưới dạng Nút 1, các nút còn lại là Nút 2.
Trong Nút 1, đưa ra quy trình CLI:
$ cd ~/src/openthread $ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1
Lưu ý: Nếu bạn không thấy lời nhắc > sau khi chạy lệnh này, hãy nhấn vào enter.
Tạo Tập dữ liệu hoạt động mới, chỉ định tập dữ liệu đó là Tập dữ liệu đang hoạt động và bắt đầu Chuỗi
> 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
Cam kết tập dữ liệu này là tập dữ liệu đang hoạt động:
> dataset commit active Done
Hiển thị giao diện IPv6:
> ifconfig up Done
Bắt đầu thao tác Giao thức chuỗi:
> thread start Done
Đợi vài giây và xác minh rằng thiết bị đã trở thành Trưởng nhóm chuỗi:
> state leader Done
2. Bắt đầu vai trò Ủy viên
Khi vẫn ở Nút 1, hãy bắt đầu vai trò Ủy viên:
> commissioner start Done
Cho phép bất kỳ Người tham gia nào (bằng cách sử dụng ký tự đại diện *) cùng với Thông tin xác thực người tham gia J01NME sẽ được uỷ quyền trên mạng. Người tham gia là một thiết bị do quản trị viên con người thêm vào Mạng chuỗi được ủy quyền.
> commissioner joiner add * J01NME Done
3. Bắt đầu vai trò Người tham gia
Trong cửa sổ dòng lệnh thứ hai, mở ra một quy trình CLI mới. Đây là nút 2.
$ cd ~/src/openthread $ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 2
Trên Nút 2, hãy bật vai trò Người tham gia bằng thông tin đăng nhập J01NME của người tham gia.
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... hãy đợi vài giây để xác nhận ...
Join success
Là Người tham gia, thiết bị (Nút 2) đã xác thực thành công với Ủy viên (Nút 1) và nhận được thông tin xác thực của Mạng Thread.
Bây giờ, Nút 2 đã được xác thực, hãy bắt đầu Chuỗi
> thread start Done
4. Xác thực quy trình xác thực mạng
Kiểm tra state trên Nút 2 để xác thực rằng thiết bị hiện đã kết nối với mạng. Trong vòng hai phút, Nút 2 chuyển từ child sang router:
> state child Done ... > state router Done
5. Đặt lại cấu hình
Để chuẩn bị cho bài tập tiếp theo, hãy đặt lại cấu hình. Trên mỗi nút, hãy dừng Luồng, thực hiện đặt lại về trạng thái ban đầu và thoát khỏi thiết bị Chuỗi đã mô phỏng:
> thread stop Done > factoryreset > > exit
Bạn có thể phải nhấn enter vài lần để đưa lại lời nhắc > sau lệnh factoryreset.
6. Quản lý mạng bằng OpenThread Daemon
Đối với bài tập này, chúng ta sẽ mô phỏng một phiên bản CLI (một thiết bị Chuỗi SoC được nhúng) và một phiên bản Bộ xử lý vô tuyến (RCP).
ot-daemon là chế độ của ứng dụng OpenThread Posix sử dụng cổng UNIX làm đầu vào và đầu ra để lõi OpenThread có thể chạy dưới dạng dịch vụ. Ứng dụng khách có thể giao tiếp với dịch vụ này bằng cách kết nối với cổng bằng cách sử dụng giao thức OpenThread CLI làm giao thức.
ot-ctl là CLI do ot-daemon cung cấp để quản lý và định cấu hình RCP. Sử dụng công cụ này, chúng ta sẽ kết nối RCP với mạng do thiết bị Chuỗi.
Sử dụng ot-daemon
Bài tập này sẽ sử dụng 3 cửa sổ dòng lệnh, tương ứng với các điều kiện sau:
- Phiên bản CLI của thiết bị Chuỗi đã mô phỏng (Nút 1)
ot-daemonquá trình- Phiên bản CLI
ot-ctl
Nếu tiếp tục bài tập trước, bạn cần mở hai cửa sổ dòng lệnh. Mở một phần ba để đảm bảo bạn có sẵn ba cửa sổ dòng lệnh cho bài tập này.
1. Nút bắt đầu 1
Trong cửa sổ thiết bị đầu cuối đầu tiên, hãy hiển thị quy trình CLI cho thiết bị Tạo chuỗi của bạn:
$ cd ~/src/openthread $ ./output/simulation/bin/ot-cli-ftd 1
Lưu ý: Nếu bạn không thấy lời nhắc > sau khi chạy lệnh này, hãy nhấn vào enter.
Tạo Tập dữ liệu hoạt động mới, chỉ định tập dữ liệu đó là Tập dữ liệu đang hoạt động và bắt đầu Chuỗi
> 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
Cam kết tập dữ liệu này là tập dữ liệu đang hoạt động:
> dataset commit active Done
Hiển thị giao diện IPv6:
> ifconfig up Done
Bắt đầu thao tác Giao thức chuỗi:
> thread start Done
Xem các địa chỉ IPv6 được chỉ định cho giao diện Luồng của nút 1\39;
> 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 >
Như đã giải thích trong bước Mô phỏng mạng Chuỗi, một địa chỉ là đường liên kết ở địa phương (fe80) và ba địa chỉ là lưới cục bộ (fd). EID là địa chỉ mạng cục bộ không chứa ff:fe00 trong địa chỉ. Trong kết quả mẫu này, EID là fd55:cf34:dea5:7994:460:872c:e807:c4ab.
Xác định EID cụ thể từ đầu ra ipaddr sẽ được dùng để giao tiếp với nút.
2. Khởi động ot-daemon
Trong cửa sổ thiết bị đầu cuối thứ hai, chuyển đến thư mục openthread và bắt đầu ot-daemon cho nút RCP, mà chúng tôi sẽ gọi là Nút 2. Dùng cờ chi tiết -v để xem kết quả nhật ký và xác nhận rằng thẻ đang chạy:
$ cd ~/src/openthread
$ ./output/posix/bin/ot-daemon -v \
'spinel+hdlc+forkpty://output/simulation/bin/ot-rcp?forkpty-arg=2'
Khi thành công, ot-daemon trong chế độ chi tiết tạo ra kết quả tương tự như sau:
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
Để thiết bị đầu cuối này mở và chạy ở chế độ nền. Bạn sẽ không nhập thêm lệnh nào trong đó.
3. Sử dụng ot-ctl để kết nối mạng
Chúng tôi chưa ủy thác Nút 2 (RCP) ot-daemon cho bất kỳ mạng Chuỗi nào. Đây là lúc ot-ctl hoạt động. ot-ctl sử dụng cùng CLI với ứng dụng OpenThread CLI. Do đó, bạn có thể điều khiển các nút ot-daemon theo cách tương tự như các thiết bị Chuỗi khác được mô phỏng.
Trong cửa sổ dòng lệnh thứ ba, hãy bắt đầu ot-ctl:
$ ./output/posix/bin/ot-ctl >
Bạn sẽ sử dụng ot-ctl trong cửa sổ đầu cuối thứ ba này để quản lý Nút 2 (nút RCP) mà bạn đã bắt đầu trong cửa sổ đầu cuối thứ hai bằng ot-daemon. Kiểm tra state của Nút 2:
> state disabled Done
Nhận eui64 Nút 2\39; để hạn chế việc tham gia người Tham gia cụ thể:
> eui64 18b4300000000001 Done
Trên Nút 1 (cửa sổ đầu tiên của thiết bị đầu cuối), hãy khởi động Ủy viên và hạn chế chỉ tham gia vào eui64 đó:
> commissioner start Done > commissioner joiner add 18b4300000000001 J01NME Done
Trên Nút 2 (cửa sổ đầu cuối thứ ba), hiển thị giao diện mạng và tham gia mạng:
> ifconfig up Done > joiner start J01NME Done
... hãy đợi vài giây để xác nhận ...
Join success
Là Người tham gia, RCP (Nút 2) đã xác thực thành công với Ủy viên (Nút 1) và nhận được thông tin xác thực của Mạng Thread.
Bây giờ, hãy tham gia nút 2 vào mạng Thread:
> thread start Done
4. Xác thực quy trình xác thực mạng
Kiểm tra state trên Nút 2 để xác thực rằng thiết bị hiện đã kết nối với mạng. Trong vòng hai phút, Nút 2 chuyển từ child sang router:
> state child Done ... > state router Done
5. Xác thực kết nối
Thoát ot-ctl bằng cách sử dụng lệnh Ctrl+D hoặc exit và trên dòng lệnh của máy chủ, ping Node 1, sử dụng EID với lệnh ping6. Nếu phiên bản RCP ot-daemon được kết nối và giao tiếp thành công với mạng Thread, thì ping thành công:
$ 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. Xin chúc mừng!
Bạn đã mô phỏng thành công mạng Thread đầu tiên của mình bằng OpenThread. Tuyệt vời!
Trong Lớp học lập trình này, bạn đã tìm hiểu cách:
- Thiết lập chuỗi công cụ bản dựng OpenThread
- Mô phỏng một mạng Chuỗi
- Xác thực nút nút trên chuỗi
- Quản lý mạng Thread bằng OpenThread Daemon
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm, hãy khám phá các tài liệu tham khảo này: