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Simulando uma rede Thread usando OpenThread no Docker

1. Introdução

OpenThread lançado pelo Google é uma implementação de código aberto do protocolo de rede Thread . O Google Nest lançou o OpenThread para tornar a tecnologia usada nos produtos Nest amplamente disponível aos desenvolvedores para 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 baseado em IPv6 para aplicativos domésticos. O OpenThread implementa todas as camadas de rede Thread, incluindo IPv6, 6LoWPAN, IEEE 802.15.4 com segurança MAC, Mesh Link Establishment e Mesh Routing.

Este Codelab orientará você na simulação de uma rede Thread em dispositivos emulados usando o Docker.

O que você vai aprender

Como configurar a cadeia de ferramentas de compilação OpenThread
Como simular uma rede Thread
Como autenticar nós de thread
Como gerenciar uma rede Thread com OpenThread Daemon

O que você precisará

Janela de encaixe
Conhecimento básico de Linux, roteamento de rede

2. Configure o Docker

Este Codelab foi projetado para usar o Docker em uma máquina Linux, Mac OS X ou Windows. Linux é o ambiente recomendado.

Instalar o Docker

Instale o Docker no sistema operacional de sua escolha.

Puxe a imagem do Docker

Depois que o Docker estiver instalado, abra uma janela de terminal e extraia a imagem do Docker openthread/environment . Esta imagem apresenta OpenThread e OpenThread Daemon pré-construídos e prontos para uso neste Codelab.

$ docker pull openthread/environment:latest

Observe que pode levar alguns minutos para baixar completamente.

Em uma janela de terminal, inicie um contêiner do Docker a partir da imagem e conecte-se ao seu shell bash :

$ docker run --name codelab_otsim_ctnr -it --rm \
   --sysctl net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0 \
   --cap-add=net_admin openthread/environment bash

Observe os sinalizadores, que são necessários para este Codelab:

--sysctl net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0 — habilita o IPv6 dentro do container
--cap-add=net_admin — habilita o recurso NET_ADMIN, que permite executar operações relacionadas à rede, como adicionar rotas IP

Uma vez no contêiner, você deve ter um prompt semelhante a este:

root@c0f3912a74ff:/#

No exemplo acima, o c0f3912a74ff é o Container ID. O ID do contêiner para sua instância do contêiner do Docker será diferente daquele mostrado nos prompts deste Codelab.

Usando o Docker

Este Codelab pressupõe que você conheça os fundamentos do uso do Docker. Você deve permanecer no contêiner do Docker durante todo o Codelab.

3. Simule uma rede Thread

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

Este exercício orienta você pelas etapas mínimas necessárias para executar ping em um dispositivo Thread emulado de outro dispositivo Thread emulado.

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

Crie a rede

1. Iniciar o Nó 1

Se você ainda não fez isso, em uma janela de terminal, inicie o contêiner do Docker e conecte-se ao seu shell bash :

$ docker run --name codelab_otsim_ctnr -it --rm \
   --sysctl net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0 \
   --cap-add=net_admin openthread/environment bash

No contêiner do Docker, gere o processo CLI para um dispositivo Thread emulado usando o binário ot-cli-ftd .

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Nota: Se você não vir o prompt > após executar este comando, pressione enter .

Este binário implementa um dispositivo OpenThread. O driver de rádio IEEE 802.15.4 é implementado em cima do UDP (os quadros IEEE 802.15.4 são passados dentro de cargas UDP).

O argumento de 1 é um descritor de arquivo que representa os bits menos significativos do IEEE EUI-64 "atribuído de fábrica" para o dispositivo emulado. Esse valor também é usado ao vincular a uma porta UDP para emulação de rádio IEEE 802.15.4 (porta = 9000 + descritor de arquivo). Cada instância de um dispositivo Thread emulado neste Codelab usará um descritor de arquivo diferente.

Observação: use somente descritores de arquivo de 1 ou superior conforme indicado neste Codelab ao gerar o processo para um dispositivo emulado. Um descritor de arquivo de 0 é reservado para outro uso.

Crie um novo Conjunto de Dados Operacionais 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 ativo:

> dataset commit active
Done

Abra a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo Thread:

> thread start
Done

Aguarde alguns segundos e verifique se o dispositivo se tornou o Thread Leader. O Líder é o dispositivo responsável por gerenciar a atribuição de ID do roteador.

> state
leader
Done

Veja os endereços IPv6 atribuídos à interface Thread do Node 1 (sua 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 endereços locais de malha são classificados ainda mais:

Contém ff:fe00 = localizador de roteador (RLOC)
Não contém ff:fe00 = Endpoint Identifier (EID)

Identifique o EID na saída do console e anote-o para uso posterior. Na saída de exemplo acima, o EID é:

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

2. Inicie o Nó 2

Abra um novo terminal e execute um shell bash no contêiner do Docker atualmente em execução para usar no Node 2.

$ docker exec -it codelab_otsim_ctnr bash

Neste novo prompt do bash , gere o processo CLI com o argumento 2 . Este é o seu segundo dispositivo Thread emulado:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2

Nota: Se você não vir o prompt > após executar este comando, pressione enter .

Configure a chave de rede do thread e o ID do 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 ativo:

> dataset commit active
Done

Abra a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo Thread:

> thread start
Done

O dispositivo irá inicializar-se como um filho. Um Thread Child é equivalente a um End Device, que é um Thread device que transmite e recebe tráfego unicast apenas com um dispositivo Parent.

> state
child
Done

Em 2 minutos, você deverá ver o estado mudar de child para router . Um Thread Router é capaz de rotear o tráfego entre os dispositivos Thread. Também é conhecido como Pai.

> state
router
Done

Verifique a rede

Uma maneira fácil de verificar a rede mesh é observar a tabela de roteadores.

1. Verifique a conectividade

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

> rloc16
5800
Done

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

> router table
| ID | RLOC16 | Next Hop | Path Cost | LQ In  | LQ Out  | Age | Extended MAC   |
+----+--------+----------+-----------+--------+-------+---+--------------------+
| 20 | 0x5000 |       63 |         0 |      0 |     0 |   0 | 96da92ea13534f3b |
| 22 | 0x5800 |       63 |         0 |      3 |     3 |  23 | 5a4eb647eb6bc66c |

O RLOC do nó 2 de 0x5800 é encontrado na tabela, confirmando que ele está conectado à malha.

2. Ping o Nó 1 do Nó 2

Verifique a conectividade entre os dois dispositivos Thread emulados. No Nó 2, ping no 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 > CLI.

Teste a rede

Agora que você pode executar ping entre dois dispositivos Thread emulados, teste a rede mesh colocando um nó offline.

Retorne ao Nó 1 e pare o Thread:

> thread stop
Done

Mude para o Nó 2 e verifique o estado. Em dois minutos, o Nó 2 detecta que o líder (Nó 1) está offline e você deve ver a transição do Nó 2 para ser o leader da rede:

> state
router
Done
...
> state
leader
Done

Uma vez confirmado, interrompa o Thread e redefina o nó 2 de fábrica antes de sair de volta para o prompt do Docker bash . Uma redefinição de fábrica 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
root@c0f3912a74ff:/#

Você pode ter que pressionar enter algumas vezes para trazer o prompt > de volta após um comando de factoryreset de fábrica. Não saia do contêiner do Docker.

Também redefinir as configurações de fábrica e sair do nó 1:

> factoryreset
>
> exit
root@c0f3912a74ff:/#

Consulte a Referência de CLI do OpenThread para explorar todos os comandos de CLI disponíveis.

4. Autenticar nós com comissionamento

No exercício anterior, você configurou uma rede Thread com dois dispositivos simulados e conectividade verificada. No entanto, isso só permite que o tráfego local de link 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 de thread), os nós devem ser autenticados.

Para autenticar, um dispositivo deve atuar como Comissário. O Comissário é o servidor de autenticação atualmente eleito para novos dispositivos Thread e o autorizador para fornecer as credenciais de rede necessárias para os dispositivos ingressarem na rede.

Neste exercício, usaremos a mesma topologia de dois nós de antes. Para autenticação, o Thread Leader atuará como Comissário, o Thread Router como Joiner.

Janela de encaixe

Para cada nó (janela de terminal) nos exercícios restantes, verifique se você está executando o contêiner do Docker com a compilação OpenThread. Se continuar do exercício anterior, você ainda deve ter dois prompts bash dentro do mesmo contêiner do Docker já abertos. Caso contrário, consulte a etapa de solução de problemas do Docker ou simplesmente refaça o exercício Simular uma rede de thread .

1. Crie uma rede

No nó 1, gere o processo CLI:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Nota: Se você não vir o prompt > após executar este comando, pressione enter .

Crie um novo Conjunto de Dados Operacionais, confirme-o como ativo e inicie o 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

Confirme este conjunto de dados como ativo:

> dataset commit active
Done

Abra a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo Thread:

> thread start
Done

Aguarde alguns segundos e verifique se o dispositivo se tornou um Thread Leader:

> state
leader
Done

2. Iniciar a função de Comissário

Ainda no Nó 1, inicie a função de Comissário:

> commissioner start
Done

Permita que qualquer Joiner (usando o caractere curinga * ) com a Credencial de Joiner J01NME seja comissionado na rede. Um Joiner é um dispositivo que é adicionado por um administrador humano a uma Thread Network comissionada.

> commissioner joiner add * J01NME
Done

3. Inicie a função de Associado

Em uma segunda janela de terminal, no contêiner do Docker, gere um novo processo de CLI. Este é o Nó 2.

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2

No Nó 2, ative a função Joiner usando a Credencial de Joiner J01NME .

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... aguarde alguns segundos para confirmação ...

Join success

Como Joiner, o dispositivo (Nó 2) autenticou-se com sucesso com o Comissário (Nó 1) e recebeu as credenciais da Rede Thread.

Agora que o Nó 2 está autenticado, inicie o Thread:

> thread start
Done

4. Valide a autenticação de rede

Verifique o state no Nó 2, para validar que agora ele se juntou à rede. Em dois minutos, o nó 2 faz a transição do child para o 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, faça uma redefinição de fábrica e saia do dispositivo Thread emulado:

> thread stop
Done
> factoryreset
>
> exit
root@c0f3912a74ff:/#

Você pode ter que pressionar enter algumas vezes para trazer o prompt > de volta após um comando de factoryreset de fábrica.

5. Gerencie 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 Radio Co-Processor (RCP).

ot-daemon é um modo do aplicativo 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 este serviço conectando-se ao soquete usando o OpenThread CLI como protocolo.

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

Janela de encaixe

Para cada nó (janela de terminal) neste exercício, verifique se você está executando o contêiner do Docker com a compilação OpenThread. Se continuar do exercício anterior, você deve ter dois prompts bash dentro do mesmo contêiner do Docker já abertos. Caso contrário, consulte a etapa de solução de problemas do Docker .

Usar ot-daemon

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

Instância CLI do dispositivo Thread simulado (Nó 1)
processo ot-daemon
instância CLI ot-ctl

1. Iniciar o Nó 1

Na primeira janela do terminal, gere o processo CLI para seu dispositivo Thread emulado:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

Nota: Se você não vir o prompt > após executar este comando, pressione enter .

Crie um novo Conjunto de Dados Operacionais, confirme-o como ativo e inicie o 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

Confirme este conjunto de dados como ativo:

> dataset commit active
Done

Abra a interface IPv6:

> ifconfig up
Done

Inicie a operação do protocolo Thread:

> 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
>

Conforme explicado na etapa Simular uma rede de thread , um endereço é local de link ( fe80 ) e três são locais de malha ( fd ). O EID é o endereço local da malha 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 usado para se comunicar com o nó.

2. Inicie ot-daemon

Na segunda janela do terminal, crie um nó de dispositivo tun e defina as permissões de leitura/gravação:

root@c0f3912a74ff:/# mkdir -p /dev/net && mknod /dev/net/tun c 10 200
root@c0f3912a74ff:/# chmod 600 /dev/net/tun

Este dispositivo é usado para transmissão e recebimento de pacotes em dispositivos virtuais. Você pode receber um erro se o dispositivo já tiver sido criado - isso é normal e pode ser ignorado.

Inicie ot-daemon para um nó RCP, que chamaremos de Nó 2. Use o sinalizador -v verbose para poder ver a saída do log e confirmar se está em execução:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/posix/src/posix/ot-daemon -v \
'spinel+hdlc+forkpty://openthread/build/examples/apps/ncp/ot-rcp?forkpty-arg=2'

Quando bem-sucedido, ot-daemon no modo detalhado gera uma saída semelhante à seguinte:

ot-daemon[31]: Running OPENTHREAD/297a880; POSIX; Feb  1 2022 04:43:39
ot-daemon[31]: Thread version: 3
ot-daemon[31]: Thread interface: wpan0
ot-daemon[31]: RCP version: OPENTHREAD/297a880; SIMULATION; Feb  1 2022 04:42:50

Deixe este terminal aberto e rodando em segundo plano. Você não digitará mais nenhum comando nele.

3. Use ot-ctl para entrar na rede

Ainda não comissionamos o Nó 2 (o ot-daemon RCP) para nenhuma rede Thread. É aqui que entra ot-ctl . ot-ctl usa a mesma CLI que o aplicativo OpenThread CLI. Portanto, você pode controlar os nós ot-daemon da mesma maneira que os outros dispositivos Thread simulados.

Abra uma terceira janela de terminal e execute o container existente:

$ docker exec -it codelab_otsim_ctnr bash

Uma vez no contêiner, inicie ot-ctl :

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/posix/src/posix/ot-ctl
>

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

> state
disabled
Done

Obtenha o eui64 do nó 2, para restringir a junção ao Joiner específico:

> eui64
18b4300000000001
Done

No Node 1 (primeira janela do terminal), inicie o Commissioner e restrinja a adesão apenas ao eui64:

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

Na terceira janela do terminal, abra a interface de rede para o Nó 2 e entre na rede:

> ifconfig up
Done
> joiner start J01NME
Done

... aguarde alguns segundos para confirmação ...

Join success

Como Joiner, o RCP (Nó 2) autenticou-se com sucesso com o Comissário (Nó 1) e recebeu as credenciais da Rede Thread.

Agora junte o Nó 2 à rede Thread (novamente, na terceira janela do terminal):

> thread start
Done

4. Valide a autenticação de rede

No terceiro terminal, verifique o state no Nó 2, para validar que já se juntou à rede. Em dois minutos, o nó 2 faz a transição do child para o router :

> state
child
Done
...
> state
router
Done

5. Valide a conectividade

Na terceira janela do terminal, pressione Ctrl+D para sair ot-ctl e retornar ao console bash do contêiner. A partir deste console, execute ping no Nó 1, usando seu EID com o comando ping6 . Se a instância RCP do ot-daemon for unida com sucesso e se comunicar com a rede Thread, o ping será bem-sucedido:

root@c0f3912a74ff:/# 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

6. Solução de problemas do Docker

Se você saiu do contêiner do Docker

bash prompts , talvez seja necessário verificar se está em execução e reiniciar/redigitar conforme necessário.

Para mostrar quais contêineres do Docker estão em execução:

$ docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
505fc57ffc72        environment       "bash"              10 minutes ago      Up 10 minutes                           codelab_otsim_ctnr

Para mostrar todos os contêineres do Docker (em execução e parados):

$ docker ps -a
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
505fc57ffc72        environment       "bash"              10 minutes ago      Up 10 minutes                           codelab_otsim_ctnr

Se você não vir o container codelab_otsim_ctnr na saída do comando docker ps , execute-o novamente:

$ docker run --name codelab_otsim_ctnr -it --rm \
   --sysctl net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0 \
   --cap-add=net_admin openthread/environment bash

Se o contêiner estiver parado (listado em docker ps -a mas não docker ps ), reinicie-o:

$ docker start -i codelab_otsim_ctnr

Se o contêiner do Docker já estiver em execução (listado em docker ps ), reconecte-se ao contêiner em cada terminal:

$ docker exec -it codelab_otsim_ctnr bash

Erros "Operação não permitida"

Se você encontrar erros de Operation not permitted ao criar novos nós OpenThread (usando o comando mknod ), certifique-se de estar executando o Docker como usuário root de acordo com os comandos fornecidos neste Codelab. Este Codelab não suporta a execução do Docker no modo sem raiz .

7. Parabéns!

Você simulou com sucesso sua primeira rede Thread usando OpenThread. Impressionante!

Neste Codelab você aprendeu como:

Iniciar e gerenciar o contêiner do OpenThread Simulation Docker
Simular uma rede Thread
Autenticar nós de thread
Gerenciar uma rede Thread com OpenThread Daemon

Para saber mais sobre Thread e OpenThread, explore estas referências:

Ou tente usar o OpenThread Border Router em um contêiner do Docker !