Thread 邊界路由器 - IPv6 多點傳送

1. 簡介

什麼是 Thread？

Thread 是以 IP 為基礎的低功耗無線網狀網路通訊協定，可讓裝置之間及裝置與雲端之間安全通訊。Thread 網路可因應拓撲變化，避免單點故障。

深入瞭解：詳情請參閱「Thread 基礎知識」。

什麼是 OpenThread？

Google 發布的 OpenThread 是 Thread® 的開放原始碼實作項目。

什麼是 OpenThread 邊界路由器？

Google 發布的 OpenThread 邊界路由器 (OTBR) 是 Thread 邊界路由器的開放原始碼實作項目。

IPv6 多點傳播

Thread 定義了一系列功能，可在異質網路 (Thread 和 Wi-Fi/乙太網路區隔) 中支援多點播送，適用於範圍大於領域本機的多點播送位址。

Thread 邊界路由器會註冊其主幹路由器 (BBR) 資料集，而所選的 BBR 服務是主要主幹路由器 (PBBR)，負責多點播送的入站/出站轉送。

如果位址大於領域本機，Thread 裝置會傳送 CoAP 訊息，向 PBBR 註冊多點傳播位址 (簡稱多點傳播接聽程式註冊，即 MLR)。PBBR 會在外部介面上使用 MLDv2，代表本機 Thread 網路，向更廣泛的 IPv6 LAN/WAN 傳達需要監聽的 IPv6 多點播送群組。只有在至少一個 Thread 裝置訂閱目的地時，PBBR 才會將多點傳播流量轉送至 Thread 網路。

對於 Thread 最小型終端裝置，這類裝置可能需要依賴上層裝置彙整多點傳播位址，並代表裝置執行 MLR，或者在上層裝置為 Thread 1.1 時自行註冊。

詳情請參閱「Thread 規格」。

建構項目

在本程式碼研究室中，您將設定 Thread 邊界路由器和兩部 Thread 裝置，然後在 Thread 裝置和 Wi-Fi 裝置上啟用及驗證多點傳播功能。

課程內容

• 如何建構支援 IPv6 多點傳播的 nRF52840 韌體。
• 如何在 Thread 裝置上訂閱 IPv6 多點傳送位址。

軟硬體需求

• Linux 工作站，用於建構及刷寫 Thread RCP、OpenThread CLI，以及測試 IPv6 多點傳播。
• Raspberry Pi (做為 Thread 邊界路由器)。
• 2 個 Nordic Semiconductor nRF52840 USB Dongle (一個用於 RCP，兩個用於 Thread 終端裝置)。

2. 設定 OTBR

本程式碼研究室適用於 RCP 和 NCP 設計。你可以為 OTBR 選取偏好的設計。

如要快速設定 OTBR，請參閱 OTBR 設定指南。

OTBR 設定完成後，請使用 ot-ctl 驗證 OTBR 是否在幾秒內成為主要骨幹路由器。

> bbr state
Primary
Done
> bbr
BBR Primary:
server16: 0xF800
seqno:    21
delay:    5 secs
timeout:  3600 secs
Done

深入瞭解：

BBR 資料集顯示 OTBR 已成為主要骨幹路由器 (PBBR)：

• server16 是 PBBR 的 RLOC16。
• seqno 是隨機產生的 BBR 序號。PBBR 可以變更 seqno，觸發重新註冊。
• delay 是註冊延遲的值，Thread 裝置應延遲此值，再重新註冊。
• timeout 是多點播送接聽器註冊 (MLR) 保持有效的預設時間長度 (以秒為單位)。如果 Thread 裝置仍訂閱多點傳播位址，系統會在 MLR 註冊到期前自動續訂。

如要進一步瞭解 BBR 資料集設定，請參閱 OpenThread CLI 參考資料。

3. 建構及刷新 Thread 裝置

使用多播建構 Thread CLI 應用程式，並將其刷入兩個 nRF52840 DK 板。

建構 nRF52840 DK 韌體

按照操作說明複製專案，並建構 nRF52840 韌體。

$ cd ~/src/ot-nrf528xx
$ rm -rf build
$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_MLR=ON

繼續完成「使用 nRF52840 開發板和 OpenThread 程式碼研究室建構 Thread 網路」程式碼研究室。使用 CLI 映像檔刷寫終端裝置後，請按照「將第二個節點加入 Thread 網路」一文的說明，將 Thread 裝置加入 Thread 網路。針對第二個 Thread 終端裝置重複上述步驟。

4. 訂閱 IPv6 多點傳播位址

注意：本程式碼研究室使用 ff05::abcd 的 IPv6 多點播送位址，但任何範圍 >= Admin-local scope (4) 的 IPv6 多點播送位址也適用。

在 nRF52840 終端裝置 1 上訂閱 ff05::abcd：

> ipmaddr add ff05::abcd
Done

確認 ff05::abcd 已成功訂閱：

> ipmaddr
ff05:0:0:0:0:0:0:abcd            <--- ff05::abcd subscribed
ff33:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff32:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff02:0:0:0:0:0:0:2
ff03:0:0:0:0:0:0:2
ff02:0:0:0:0:0:0:1
ff03:0:0:0:0:0:0:1
ff03:0:0:0:0:0:0:fc
Done

在筆電上訂閱 ff05::abcd：

我們需要 Python 指令碼 subscribe6.py，才能在筆電上訂閱多點傳播位址。

複製下列程式碼，並儲存為 subscribe6.py：

import ctypes
import ctypes.util
import socket
import struct
import sys

libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'))
ifname, group = sys.argv[1:]
addrinfo = socket.getaddrinfo(group, None)[0]
assert addrinfo[0] == socket.AF_INET6
s = socket.socket(addrinfo[0], socket.SOCK_DGRAM)
group_bin = socket.inet_pton(addrinfo[0], addrinfo[4][0])
interface_index = libc.if_nametoindex(ifname.encode('ascii'))
mreq = group_bin + struct.pack('@I', interface_index)
s.setsockopt(socket.IPPROTO_IPV6, socket.IPV6_JOIN_GROUP, mreq)
print("Subscribed %s on interface %s." % (group, ifname))
input('Press ENTER to quit.')

執行 subscribe6.py，在 Wi-Fi 網路介面 (例如 wlan0) 上訂閱 ff05::abcd：

$ sudo python3 subscribe6.py wlan0 ff05::abcd
Subscribed ff05::abcd on interface wlan0.
Press ENTER to quit.

注意：按下 Enter 鍵後，訂閱方案就會終止。

最終的網路拓撲和多播訂閱項目如下所示：

我們已在 Thread 網路中的 nRF52840 終端裝置 1 和 Wi-Fi 網路中的筆電上訂閱 IPv6 多點傳播位址，接下來將在下列章節中驗證雙向 IPv6 多點傳播可連線性。

5. 驗證 IPv6 多點傳播連入連線

現在，我們應該可以透過 Wi-Fi 網路，使用 IPv6 多點播送位址 ff05::abcd，連線至 Thread 網路中的 nRF52840 終端裝置 1 和筆記型電腦。

透過 Wi-Fi 介面，對 OTBR 上的 ff05::abcd 執行連線偵測 (ping)：

$ ping -6 -b -t 5 -I wlan0 ff05::abcd
PING ff05::abcd(ff05::abcd) from 2401:fa00:41:801:83c1:a67:ae22:5346 wlan0: 56 data bytes
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=1 ttl=64 time=57.4 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=1 ttl=64 time=84.9 ms (DUP!)
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=2 ttl=64 time=54.8 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=2 ttl=64 time=319 ms (DUP!)
64 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=3 ttl=64 time=57.5 ms
64 bytes from 2401:fa00:41:801:8c09:1765:4ba8:48e8: icmp_seq=3 ttl=64 time=239 ms (DUP!)

# If using MacOS, use this command. The interface is typically not "wlan0" for Mac.
$ ping6 -h 5 -I wlan0 ff05::abcd

從上圖可以看出，OTBR 可以接收來自 nRF52840 終端裝置 1 和筆電的兩個 Ping 回覆，因為兩者都已訂閱 ff05::abcd。這表示 OTBR 可以將 IPv6 Ping Request 多點傳播封包從 Wi-Fi 網路轉送至 Thread 網路。

注意：我們需要使用 -t ttl 設定 IP Time to Live，Linux 預設為 1，否則多點傳播 ping 無法連線至 nRF52840 End Device 1。

注意： ip -6 mroute show table all 是實用的工具，可查看 Linux 主機上作用中的多點播送群組，以及這些群組的輸入/輸出介面。

6. 驗證輸出 IPv6 多點傳播

在 nRF52840 終端裝置 2 上 Ping ff05::abcd：

> ping ff05::abcd 100 10 1
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=12 hlim=64 time=297ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=12 hlim=63 time=432ms
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=13 hlim=64 time=193ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=13 hlim=63 time=306ms
108 bytes from fdb5:8d36:6af9:7669:e43b:8e1b:6f2a:b8fa: icmp_seq=14 hlim=64 time=230ms
108 bytes from 2401:fa00:41:801:64cb:6305:7c3a:d704: icmp_seq=14 hlim=63 time=279ms

nRF52840 End Device 2 可以接收來自 nRF52840 End Device 1 和筆記型電腦的連線偵測回覆。這表示 OTBR 可以將 IPv6 Ping Reply 多點傳播封包從 Thread 網路轉送至 Wi-Fi 網路。

注意：我們依賴 OTBR 邊界轉送功能轉送單點傳播 Ping 回覆。

7. 恭喜

恭喜！您已成功設定 Thread 邊界路由器，並驗證雙向 IPv6 多點傳播！

如要進一步瞭解 OpenThread，請造訪 openthread.io。

參考文件：

• Thread 邊界路由器 - 雙向 IPv6 連線和以 DNS 為基礎的服務探索
• Thread 基礎知識
• OpenThread 指南
• OpenThread CLI 參考資料