线程边界路由器 - Thread 1.2 多播

1. 简介

什么是 Thread？

Thread 是一种基于 IP 的低功耗无线网状网络协议，支持安全的设备到设备和设备到云通信。线程网络可以适应拓扑变化，以避免单点故障。

深入了解：如需了解详情，请参阅 Thread Primer。

什么是 OpenThread？

Google 发布的 OpenThread 是 Thread® 的开源实现。

什么是 OpenThread 边界路由器？

Google 发布的 OpenThread 边界路由器 (OTBR) 是线程边界路由器的开源实现。

Thread 1.2 多播

线程 1.2 定义了一系列功能，以支持跨异构网络（线程和 Wi-Fi/以太网网段）的多播地址范围大于本地领域内的多播地址。

Thread 1.2 边界路由器注册其骨干路由器 (BBR) 数据集，选定的 BBR 服务为主要骨干路由器 (PBBR)，负责向前/向多播多播广播。

如果地址大于 Realm local，Thread 1.2 设备将发送 CoAP 消息以向 PBBR（多播监听器注册，简称 MLR）注册多播地址。PBBR 在其外部接口上使用 MLDv2，代表其本地线程网络就需要监听的 IPv6 多播组与更广泛的 IPv6 LAN/WAN 进行通信。仅当至少有一台 Thread 设备订阅了目的地时，PBBR 才会将多播流量转发到 Thread 网络。

对于 Thread 1.2 最小终端设备，它们可以依赖其父级聚合多播地址，并代表自己执行 MLR，或者如果父级为线程 1.1，则自行注册。

如需了解详情，请参阅线程 1.2 规范第 5.24 节：用于超过 Realm-Local 作用域的多播转发。

构建内容

在此 Codelab 中，您将设置 Thread Border Router 和两个 Thread 设备，然后在 Thread 设备和 Wi-Fi 设备上启用并验证多播功能。

学习内容

• 如何构建具有 Thread 1.2 多播功能的 nRF52840 固件。
• 如何在 Thread 设备上订阅 IPv6 多播地址。

所需条件

• 一部 Raspberry Pi 3/4 设备和一张至少具有 8 GB 性能的 SD 卡。
• 3 块 Nordic Semiconductor nRF52840 DK 开发板。
• 路由器上未启用 IPv6 Router Advertisement Guard 的 Wi-Fi AP。
• 安装了 Python3 的 Linux/macOS 笔记本电脑（Raspberry Pi 也适用）。

2. 设置 OTBR

按照线程边界路由器 - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现 Codelab 操作，在 Raspberry Pi 上设置线程边界路由器。

完成后，Raspberry Pi 应该已创建有效的 Thread 网络并连接到 Wi-Fi 网络。

OTBR 应在几秒钟内成为主骨干路由器。

$ sudo ot-ctl bbr state
Primary
Done
$ sudo ot-ctl bbr
BBR Primary:
server16: 0xD800
seqno:    23
delay:    1200 secs
timeout:  3600 secs
Done

深入探究：

BBR 数据集显示，OTBR 已成为主骨干路由器 (PBBR)：

• server16 是 PBBR 的 RLOC16。
• seqno 是随机生成的 BBR 序列号。PBBR 可以更改 seqno 以触发重新注册。
• delay 是注册延迟的值，Thread 设备在重新注册之前应延迟该值。
• timeout 是多播监听器注册 (MLR) 保持有效的默认时长（以秒为单位）。如果 Thread 设备仍然订阅多播地址，则会在 MLR 注册到期之前自动续订其注册。

如需详细了解 BBR 数据集配置，请参阅 OpenThread CLI 参考文档。

3. 构建和刷写 Thread 设备

使用多播构建 Thread 1.2 CLI 应用，并刷写两个 nRF52840 DK 开发板。

build nRF52840 DK 固件

按照说明克隆项目并构建 nRF52840 固件。

$ mkdir -p ~/src
$ cd ~/src
$ git clone --recurse-submodules --depth 1 https://github.com/openthread/ot-nrf528xx.git
$ cd ot-nrf528xx/
$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_MLR=ON -DOT_THREAD_VERSION=1.2
$ arm-none-eabi-objcopy -O ihex build/bin/ot-cli-ftd ot-cli-ftd.hex

我们可以在 ot-cli-ftd.hex 找到成功构建的十六进制固件。

闪存 nRF52840 DK 固件

使用 nRF 命令行工具中的 nrfjprog 将固件刷写到 nRF52840 DK 上。

$ nrfjprog -f nrf52 --chiperase --program ot-cli-ftd.hex --reset

提示：如需了解更多详情，请参阅 nRF52840 上的 OpenThread 示例。

4. 将 Thread 设备连接到 Thread 网络

OTBR 在前面的步骤中创建了 Thread 网络。现在，我们可以将 nRF52840 DK 添加到 Thread 网络：

从 OTBR 获取原始活跃数据集：

$ sudo ot-ctl dataset active -x
0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff

连接到 nRF52840 DK 开发板：

$ screen /dev/ttyACM0 115200

为 nRF52840 DK 配置活跃数据集：

> dataset set active 0e080000000000000000000300000b35060004001fffc00208dead00beef00cafe0708fddead00beef00000510e50d3d0931b3430a59c261c684585a07030a4f70656e54687265616401022715041021cf5e5f1d80d2258d5cfd43416525e90c0302a0ff
Done

启动 Thread 堆栈并等待几秒钟，并验证设备是否已成功连接：

> ifconfig up
Done
> thread start
Done
> state
child

重复上述步骤，将另一个 nRF52840 DK 开发板连接到 Thread 网络。

现在，我们成功设置了包含 3 个 Thread 设备（OTBR 和 2 个 nRF52840 DK 开发板）的 Thread 网络。

5. 设置 Wi-Fi 网络

在 OTBR 和笔记本电脑上设置 Wi-Fi 网络，将它们连接到同一个 Wi-Fi AP。

我们可以使用 raspi-config 在 Raspberry Pi OTBR 上设置 Wi-Fi SSID 和密码。

最终的网络拓扑如下所示：

注意：从这一步开始，两个 nRF52840 DK 将用于不同的目的。我们将一种称为 nRF52840 终端设备 1，另一种称为 nRF52840 最终设备 2。

6. 订阅 IPv6 多播地址

注意：此 Codelab 使用 ff05::abcd 的 IPv6 多播地址，但任何范围 >= Admin-local scope (4) 的 IPv6 多播地址也可以使用。

在 nRF52840 最终设备 1 上订阅 ff05::abcd：

> ipmaddr add ff05::abcd
Done

验证 ff05::abcd 是否已成功订阅：

> ipmaddr
ff33:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff32:40:fdde:ad00:beef:0:0:1
ff05:0:0:0:0:0:0:abcd            <--- ff05::abcd subscribed
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

在笔记本电脑上订阅 ff05::abcd：

我们需要使用 Python 脚本 subscribe6.py 来订阅笔记本电脑上的多播地址。

复制以下代码并将其另存为 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.')

运行 subscribe6.py 以在 Wi-Fi 网络接口（例如 wlan0）上订阅 ff05::abcd：

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

注意：如果您按 Enter 键，订阅将结束。

包含多播订阅的最终网络拓扑如下所示：

现在，我们已经在 Thread 网络中的 nRF52840 终端设备 1 和 Wi-Fi 网络中的笔记本电脑上订阅了 IPv6 多播地址，我们将在下面的部分中验证双向 IPv6 多播可达性。

7. 验证入站 IPv6 多播

现在，我们应该能够使用来自 Wi-Fi 网络的 IPv6 多播地址 ff05::abcd 连接到 Thread 网络中的 nRF52840 终端设备 1 和笔记本电脑。

通过 Wi-Fi 接口在 OTBR 上 ping ff05::abcd：

$ 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

我们可以看到，OTBR 可以同时收到来自 nRF52840 终端设备 1 和笔记本电脑的两个 ping 回复，因为它们都订阅了 ff05::abcd。这表明 OTBR 可以将 IPv6 Ping 请求多播数据包从 Wi-Fi 网络转发到 Thread 网络。

注意：我们需要使用 -t ttl 来设置 IP 生存时间，在 Linux 上默认为 1，否则多播 ping 无法到达 nRF52840 终端设备 1。

注意：ip -6 mroute show table all 是一款有用的工具，可用于查看 Linux 主机上的活跃多播组及其输入/输出接口。

8. 验证出站 IPv6 多播

在 nRF52840 终端设备 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 终端设备 2 可接收来自 nRF52840 终端设备 1 和笔记本电脑的 ping 回复。这表明 OTBR 可以将 IPv6 Ping Reply 多播数据包从 Thread 网络转发到 Wi-Fi 网络。

注意：我们依靠 OTBR 边界路由来转发单播 ping 回复。

9. 恭喜

恭喜，您已成功设置线程边界路由器并验证双向 IPv6 多播！

如需详细了解 OpenThread，请访问 openthread.io。

参考文档：

• 线程边界路由器 - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现
• 线程入门
• OpenThread 指南
• OpenThread CLI 参考文档