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Simular uma rede Thread usando OpenThread no Docker

1. Introdução

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.

Este codelab mostrará como simular uma rede Thread em dispositivos emulados usando o Docker.

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

Docker
Conhecimento básico de Linux, roteamento de rede

2. Configurar o Docker

Este codelab foi projetado para usar o Docker em um computador Linux, Mac OS X ou Windows. Linux é o ambiente recomendado.

Instalar o Docker

Instale o Docker no SO de sua escolha.

Extrair a imagem do Docker

Depois que o Docker for instalado, abra uma janela de terminal e extraia a imagem do Docker openthread/environment. Essa imagem apresenta o OpenThread e o OpenThread Daemon pré-criados e prontos para uso neste codelab.

$ docker pull openthread/environment:latest

O download pode levar alguns minutos para ser concluído.

Em uma janela de terminal, inicie um contêiner do Docker na imagem e conecte-se ao 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 as sinalizações, necessárias para este codelab:

--sysctl net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0: ativa o IPv6 no contêiner.
--cap-add=net_admin: ativa o recurso NET_ADMIN, que permite executar operações relacionadas à rede, como adicionar rotas IP.

No contêiner, você vai ver uma solicitação semelhante a esta:

root@c0f3912a74ff:/#

No exemplo acima, o c0f3912a74ff é o ID do contêiner. O ID do contêiner da sua instância do contêiner do Docker será diferente daquele mostrado nas solicitações deste codelab.

Como usar o Docker

Neste codelab, você aprenderá as noções básicas do uso do Docker. Você precisa permanecer no contêiner do Docker durante todo o codelab.

3. 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 linha de execução emulado de outro dispositivo emulado.

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

Criar a rede

1. Iniciar nó 1

Se você ainda não tiver feito isso, em uma janela de terminal, inicie o contêiner do Docker e conecte-se ao 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 da CLI para um dispositivo Thread emulado usando o binário ot-cli-ftd.

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

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

Esse binário implementa um dispositivo OpenThread. 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 emulado. 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 emulado 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 emulado. 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 e execute um shell bash no contêiner do Docker em execução no momento para usar no Node 2.

$ docker exec -it codelab_otsim_ctnr bash

Nessa nova solicitação do bash, crie o processo da CLI com o argumento 2. Este é o segundo dispositivo Thread emulado:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/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 | 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 está conectado à malha.

2. Dê um ping no nó 1 do nó 2

Verificar a conectividade entre os dois dispositivos Thread emulados. 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 em linha de execução emulados, teste a rede mesh deixando 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 retornar à solicitação bash do Docker. 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
root@c0f3912a74ff:/#

Talvez seja necessário pressionar enter algumas vezes para exibir a solicitação > novamente após um comando factoryreset. Não saia do contêiner do Docker.

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

> factoryreset
>
> exit
root@c0f3912a74ff:/#

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

4. 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.

Docker

Para cada nó (janela de terminal) nos exercícios restantes, verifique se você está executando o contêiner do Docker com o build do OpenThread. Se você continuar com o exercício anterior, ainda terá duas solicitações bash no mesmo contêiner do Docker. Caso contrário, consulte a etapa Solução de problemas do Docker ou repita o exercício Simular uma rede Thread.

1. Criar uma rede

No nó 1, gere o processo da CLI:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/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, no contêiner do Docker, gere um novo processo da CLI. Este é o Nó 2.

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/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, faça uma redefinição para a configuração original e saia do dispositivo Thread emulado:

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

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

5. 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.

Docker

Para cada nó (janela de terminal) neste exercício, verifique se você está executando o contêiner do Docker com o build do OpenThread. Se você continuar com o exercício anterior, terá duas solicitações bash no mesmo contêiner do Docker. Caso contrário, consulte a etapa Solução de problemas do Docker.

Usar ot-daemon

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

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

1. Iniciar nó 1

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

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/examples/apps/cli/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, 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 o 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:

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

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 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.

Abra uma terceira janela do terminal e execute o contêiner atual:

$ docker exec -it codelab_otsim_ctnr bash

Quando estiver no contêiner, inicie ot-ctl:

root@c0f3912a74ff:/# /openthread/build/posix/src/posix/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

Na terceira janela do terminal, abra a interface de rede do nó 2 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, conecte o Nó 2 à rede Thread (novamente, na terceira janela do terminal):

> thread start
Done

4. Validar a autenticação da rede

No terceiro terminal, verifique a state no Node 2 para confirmar que agora ela está conectada 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

Na terceira janela do terminal, saia do ot-ctl usando o comando Ctrl+D ou exit e volte ao console bash do contêiner. Nesse console, dê um ping no nó 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:

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 solicitações, será necessário verificar se ela está em execução e reiniciar / inserir novamente, se 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 interrompidos):

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

Se o contêiner codelab_otsim_ctnr não aparecer na saída de um dos comandos 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 em 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

"Operação não permitida"

Se você encontrar erros Operation not permitted ao criar novos nós do OpenThread usando o comando mknod, verifique se está executando o Docker como o usuário raiz de acordo com os comandos fornecidos neste codelab. Este codelab não é compatível com a execução do Docker no modo sem raiz.

7. Parabéns!

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

Neste codelab, você aprendeu a:

Iniciar e gerenciar o contêiner do Docker de simulação OpenThread
Simular uma rede Thread
Autenticar nós de linha de execução
Gerenciar uma rede Thread com OpenThread Daemon

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

Outra opção é usar o OpenThread Border Router em um contêiner do Docker.