Thread-Border-Router – Bidirektionale IPv6-Konnektivität und DNS-basierte Diensterkennung

1. Einführung

Was ist Thread?

Thread ist ein IP-basiertes drahtloses Mesh-Netzwerkprotokoll mit geringem Stromverbrauch, das eine sichere Kommunikation zwischen Geräten und zwischen Geräten und der Cloud ermöglicht. Thread-Netzwerke können sich an Topologieänderungen anpassen, um Single Points of Failure zu vermeiden.

Weitere Informationen finden Sie unter Thread-Grundlagen.

Was ist OpenThread?

OpenThread von Google ist eine Open-Source-Implementierung von Thread®.

Was ist ein Thread-Border-Router?

Ein Thread-Border-Router verbindet ein Thread-Netzwerk mit anderen IP-basierten Netzwerken wie WLAN oder Ethernet. Ein Thread-Netzwerk benötigt einen Border-Router, um eine Verbindung zu anderen Netzwerken herzustellen. Ein Thread-Border-Router unterstützt mindestens die folgenden Funktionen:

• Bidirektionale IP-Verbindung zwischen Thread- und WLAN-/Ethernet-Netzwerken.
• Bidirektionale Diensterkennung über mDNS (über WLAN-/Ethernet-Verbindung) und SRP (über Thread-Netzwerk).
• Thread-over-Infrastructure, das Thread-Partitionen über IP-basierte Links zusammenführt.
• Externe Thread-Inbetriebnahme (z. B. über ein Smartphone), um ein Thread-Gerät zu authentifizieren und mit einem Thread-Netzwerk zu verbinden.

Der von Google veröffentlichte OpenThread Border Router (OTBR) ist eine Open-Source-Implementierung des Thread-Border-Routers.

Aufgaben

In diesem Codelab richten Sie einen Thread-Border-Router ein und verbinden Ihr Smartphone über den Border-Router mit einem Thread-Endgerät.

Lerninhalte

• OTBR einrichten
• Thread-Netzwerk mit OTBR erstellen
• OpenThread-Befehlszeilengerät mit der SRP-Funktion erstellen
• Dienst bei SRP registrieren
• Thread-Endgerät erkennen und erreichen

Voraussetzungen

• Eine Linux-Workstation zum Erstellen und Flashen eines Thread-RCP, der OpenThread-Befehlszeile und zum Testen von IPv6-Multicast.
• Ein Raspberry Pi für den Thread-Border-Router.
• 2 USB-Dongles vom Typ Nordic Semiconductor nRF52840 (einer für den RCP und einer für das Thread-Endgerät).
• Ein iOS-Smartphone mit mindestens iOS 14 oder ein Android-Smartphone mit mindestens Android 8.1.

2. OTBR einrichten

Sowohl RCP- als auch NCP-Designs sind mit diesem Codelab kompatibel. Sie können das Design auswählen, das Ihnen für Ihr OTBR am besten gefällt.

Am schnellsten lässt sich ein OTBR einrichten, wenn Sie der Anleitung für die Einrichtung von OTBR folgen.

Nachdem die OTBR-Einrichtung abgeschlossen ist, können Sie mit ot-ctl prüfen, ob die OTBR als Thread-leader fungiert.

$ sudo ot-ctl state
leader
Done

Prüfen Sie außerdem, ob das OTBR automatisch ein off-mesh-routable-Präfix (OMR) in den Thread-Netzwerkdaten konfiguriert hat.

$ sudo ot-ctl netdata show
Prefixes:
Prefixes:
fd76:a5d1:fcb0:1707::/64 paos med 4000
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 4000
Services:
44970 5d c000 s 4000
44970 01 9a04b000000e10 s 4000
Done
$ sudo ot-ctl ipaddr      
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc11
fda8:5ce9:df1e:6620:0:0:0:fc38
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc10
fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:fc00
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:4000
fda8:5ce9:df1e:6620:3593:acfc:10db:1a8d
fe80:0:0:0:a6:301c:3e9f:2f5b
Done

Die Beispielausgabe des Befehls netdata show lautet:

• ein OMR-Präfix fd76:a5d1:fcb0:1707::/64 zum Erstellen einer OMR-Adresse, die über das WLAN-/Ethernet-Netzwerk erreichbar ist (möglicherweise sehen Sie eine IPv6-Adresse fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9, die mit dem OMR-Präfix beginnt);
• eine externe Route für das On-Link-Präfix fd49:7770:7fc5:0::/64, die von OTBR erstellt wird, wenn noch kein IPv6-Netzwerk auf der WLAN-/Ethernet-Verbindung vorhanden ist.
• Ein SRP-Serverdienst mit der Dienstnummer 5d und dem UDP-Port des SRP-Servers, der von einem Thread-SRP-Endgerät verwendet wird.
• ein BBR-Dienst mit der Dienstnummer 0x01;

3. SRP-Clientendgerät einrichten

OT CLI erstellen und flashen

Folge Schritt 5 des Codelabs Thread-Netzwerk mit nRF52840-Boards und OpenThread erstellen, um ein nRF52840-CLI-Endgerät zu erstellen und zu flashen.

Statt OT_COMMISSIONER und OT_JOINER zu aktivieren, sind für den CLI-Knoten die Funktionen OT_SRP_CLIENT und OT_ECDSA erforderlich.

Hinweis:Die Build-Option OT_SRP_CLIENT ermöglicht die clientseitige Implementierung von SRP auf dem Endgerät, während die Option OT_ECDSA von OT_SRP_CLIENT zum Erstellen von Signaturen benötigt wird.

Der vollständige Build-Aufruf sollte so aussehen:

$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_SRP_CLIENT=ON -DOT_ECDSA=ON

Dem Thread-Netzwerk beitreten

Um dem Thread-Netzwerk beizutreten, müssen wir das aktive Betriebs-Dataset vom OTBR-Gerät abrufen. Kehren wir zu ot-ctl zurück und rufen wir das aktive Dataset ab:

$ sudo ot-ctl dataset active -x
0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

Kehren Sie zur Bildschirm-Sitzung des SRP-Clientknotens zurück und legen Sie das aktive Dataset fest:

> dataset set active 0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

Starten Sie dann die Thread-Schnittstelle:

> ifconfig up
Done
> thread start
Done

Warte einige Sekunden und prüfe, ob die Verbindung mit dem Thread-Netzwerk erfolgreich war:

> state
child
Done
> netdata show
Prefixes:
fd76:a5d1:fcb0:1707::/64 paos med 4000
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 4000
Services:
44970 5d c000 s 4000
44970 01 9a04b000000e10 s 4000
Done
> ipaddr
fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
fda8:5ce9:df1e:6620:0:ff:fe00:4001
fda8:5ce9:df1e:6620:ed74:123:cc5d:74ba
fe80:0:0:0:d4a9:39a0:abce:b02e
Done

Prüfen Sie, ob die Netzwerkdaten mit den auf dem OTBR aufgedruckten Daten übereinstimmen. Wir können jetzt die OMR-Adresse von OTBR anpingen:

> ping fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9
Done
> 16 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:f3c7:d88c:efd1:24a9: icmp_seq=1 hlim=64 time=49ms

4. Dienst auf dem Endgerät veröffentlichen

mDNS wird häufig zum Veröffentlichen von DNS-SD-Diensten auf Link-Local verwendet. Multicast-Nachrichten verbrauchen jedoch zu viel Bandbreite und der Akku von Geräten mit geringem Stromverbrauch wird dadurch schnell entladen. Thread verwendet das Unicast-Protokoll SRP, um seine Dienste beim Border Router zu registrieren, und ist darauf angewiesen, dass der Border Router die Dienste über die WLAN- oder Ethernet-Verbindung bewirbt.

Hinweis:Wenn Sie das Thread-Endgerät nur über das WLAN-/Ethernet-Netzwerk erreichen möchten, können Sie diesen Schritt überspringen und mit dem Schritt „Endgerät anpingen“ fortfahren.

Wir können einen Dienst mit dem Befehl srp client registrieren.

Rufen Sie die Bildschirm-Sitzung des SRP-Clientknotens auf und starten Sie den SRP-Client automatisch:

> srp client autostart enable
Done

Legen Sie den Hostnamen fest, der über die WLAN-/Ethernet-Verbindung beworben wird:

> srp client host name ot-host
Done

Damit ein Gerät über die WLAN-/Ethernet-Verbindung ein Thread-Endgerät erreichen kann, muss die OMR-Adresse des Endgeräts beworben werden:

> srp client host address fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
Done

Registrieren Sie am Ende einen gefälschten _ipps._tcp-Dienst:

> srp client service add ot-service _ipps._tcp 12345
Done

Warten Sie einige Sekunden. Der Dienst sollte dann registriert sein:

> srp client service
instance:"ot-service", name:"_ipps._tcp", state:Registered, port:12345, priority:0, weight:0
Done

Wir haben alle Einrichtungsarbeiten abgeschlossen und der _ipps._tcp-Dienst sollte über die WLAN-/Ethernet-Verbindung beworben worden sein. Es ist an der Zeit, das Endgerät zu finden und zu erreichen.

Hinweis:Es ist wichtig, die OMR-Adresse festzulegen. Andernfalls können wir den Hostnamen in den nächsten Schritten nicht anpingen.

5. Dienst entdecken

Dienst mit einem Smartphone entdecken

Wir verwenden die App Service Browser, um mDNS-Dienste mit dem Android-Smartphone zu erkennen. Eine entsprechende App ist auch für iOS-Mobilgeräte verfügbar. Öffnen Sie die App. Der Dienst _ipps._tcp sollte automatisch angezeigt werden.

Dienst mit einem Linux-Host erkennen

Wenn Sie den Dienst von einem anderen Linux-Host aus ermitteln möchten, können Sie den Befehl avahi-browse verwenden.

Installieren Sie avahi-daemon und avahi-utils:

$ sudo apt-get install -y avahi-daemon avahi-utils

Dienst zuordnen:

$ sudo service avahi-daemon start # Ensure the avahi daemon is started.
$ avahi-browse -r _ipps._tcp
+ wlan0 IPv6 ot-service                                    Secure Internet Printer local
= wlan0 IPv6 ot-service                                    Secure Internet Printer local
   hostname = [ot-host.local]
   address = [fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927]
   port = [12345]
   txt = []
...

Dienst mit einem macOS-Host erkennen

Sie können dns-sd unter macOS verwenden, um den Dienst aufzulösen:

$ dns-sd -Z _ipps._tcp local.
Browsing for _ipps._tcp.local.
DATE: ---Sun 14 Mar 2021---
21:31:42.125  ...STARTING...

; To direct clients to browse a different domain, substitute that domain in place of '@'
lb._dns-sd._udp                                 PTR     @

; In the list of services below, the SRV records will typically reference dot-local Multicast DNS names.
; When transferring this zone file data to your unicast DNS server, you'll need to replace those dot-local
; names with the correct fully-qualified (unicast) domain name of the target host offering the service.

_ipps._tcp                                      PTR     ot-service._ipps._tcp
ot-service._ipps._tcp                           SRV     0 0 12345 ot-host.local. ; Replace with unicast FQDN of target host
ot-service._ipps._tcp                           TXT     ""
...

6. Endgerät anpingen

Ping von einem Mobiltelefon senden

Nehmen wir als Beispiel das Pixel Smartphone. Die OMR-Adresse des zuvor registrierten Dienstes „ot-service“ finden wir auf der Detailseite der Dienstinstanz in der Service Browser App.

Wir können die OMR-Adresse jetzt mit einer anderen Network Analyzer App anpingen.

Leider unterstützt die Android-Version der Network Analyzer App keine mDNS-Abfragen für das Ping-Dienstprogramm und wir können den Hostnamen ot-host.local nicht direkt anpingen (mit der iOS-Version der App ist das möglich).

Ping von einem Linux-/macOS-Host aus

Der Thread Border Router sendet ICMPv6 Router Advertisements (RA), um Präfixe (über die Prefix Information Option) und Routen (über die Route Information Option) über die WLAN-/Ethernet-Verbindung zu bewerben.

Linux-Host vorbereiten

Es ist wichtig, dass RA und RIO auf Ihrem Host aktiviert sind:

1. net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra sollte mindestens 1 betragen, wenn die IP-Weiterleitung nicht aktiviert ist, und 2, wenn sie aktiviert ist.
2. net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen sollte nicht kleiner als 64 sein.

Für die meisten Distributionen ist accept_ra standardmäßig auf 1 festgelegt. Es kann jedoch andere Netzwerk-Daemons geben, die diese Option überschreiben. Auf Raspberry Pi wird beispielsweise accept_ra durch dhcpcd in 0 überschrieben. Sie können den Wert von accept_ra mit folgendem Befehl prüfen:

$ sudo sysctl -n net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra
0

Legen Sie den Wert mit folgendem Befehl auf 1 (oder 2, falls die IP-Weiterleitung aktiviert ist) fest:

$ sudo sysctl -w net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra=1
Net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra = 1

Die Option accept_ra_rt_info_max_plen ist in den meisten Linux-Distributionen standardmäßig auf 0 gesetzt. Sie können sie mit folgendem Befehl auf 64 setzen:

$ sudo sysctl -w net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen=64
net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen = 64

Hinweis:Ersetzen Sie wlan0 durch Ihre spezifische WLAN-/Ethernet-Schnittstelle.

Die Änderung geht nach dem Neustart des Hosts verloren. Hängen Sie beispielsweise die folgenden Befehle an /etc/sysctl.conf an, um RIO dauerhaft zu aktivieren:

$ net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen = 64

Es ist möglicherweise zu spät, diese Konfigurationen zu ändern, da der OTBR bereits RA-Nachrichten gesendet hat und das Intervall zwischen zwei unaufgeforderten RA-Nachrichten mehrere hundert Sekunden betragen kann. Eine Möglichkeit besteht darin, die Verbindung zum WLAN-AP zu trennen und wiederherzustellen, um Router Solicitation-Nachrichten zu senden, damit OTBR mit angeforderten RAs antwortet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Border-Routing-Funktion auf dem Border-Router neu zu starten:

$ sudo ot-ctl br disable
Done
$ sudo ot-ctl br enable
Done

Hinweis:Das Neustarten der Border-Routing-Funktion kann etwa zehn Sekunden dauern. Wenn noch kein IPv6-Netzwerk auf der WLAN-/Ethernet-Schnittstelle vorhanden ist, muss es warten, bis die Router Solicitation-Nachrichten das Zeitlimit überschritten haben, bevor es Router Advertisement-Nachrichten sendet.

Wenn Sie versuchen, die WLAN-Verbindung wiederherzustellen oder die Ethernet-Schnittstelle neu zu starten, achten Sie darauf, dass dhcpcd nicht zum Verwalten Ihres WLAN-/Ethernet-IPv6-Netzwerks verwendet wird. Da dhcpcd die Option accept_ra immer überschreibt, wenn die Schnittstelle neu gestartet wird, geht Ihre accept_ra-Konfiguration verloren. Fügen Sie der dhcpcd-Konfigurationsdatei (z.B. /etc/dhcpcd.conf) die folgenden Zeilen hinzu, um IPv6 in dhcpcd explizit zu deaktivieren:

noipv6
noipv6rs

Damit die Änderung wirksam wird, müssen Sie das Gerät neu starten.

Hinweis:Denken Sie daran, die accept_ra_rt_info_max_plen-Konfiguration in /etc/sysctl.conf zu speichern, bevor Sie das Gerät neu starten.

macOS-Host vorbereiten

Beide accept_ra*-Optionen sind standardmäßig aktiviert. Sie müssen Ihr System jedoch mindestens auf macOS Big Sur aktualisieren.

Hostname oder IPv6-Adresse anpingen

Wir können jetzt den Hostnamen ot-host.local mit dem Befehl ping -6 (ping6 für macOS) anpingen:

$ ping -6 ot-host.local.
PING ot-host.local.(fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927)) 56 data bytes
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=1 ttl=63 time=170 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=2 ttl=63 time=64.2 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=3 ttl=63 time=22.8 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=4 ttl=63 time=37.7 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927 (fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927): icmp_seq=5 ttl=63 time=28.7 ms
...

Dieser Befehl kann auf Linux-Hosts mit dem Fehler "Name or service not known" fehlschlagen. Das liegt daran, dass der Befehl ping den Namen ot-host.local. nicht mit mDNS-Abfragen auflöst. Öffnen Sie /etc/nsswitch.conf und fügen Sie mdns6_minimal in die Zeile ein, die mit hosts beginnt:

hosts:          files mdns4_minimal mdns6_minimal dns

Sie können natürlich auch immer die IPv6-Adresse direkt anpingen:

$ ping -6 fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927
PING fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927(fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927) 56 data bytes
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=1 ttl=63 time=32.9 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=2 ttl=63 time=27.8 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=3 ttl=63 time=29.9 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=4 ttl=63 time=73.5 ms
64 bytes from fd76:a5d1:fcb0:1707:d3dc:26d3:f70b:b927: icmp_seq=5 ttl=63 time=26.4 ms
...

Es ist nicht erforderlich, einen SRP-Dienst zu veröffentlichen, wenn Sie nur eine Verbindung herstellen möchten. Sie können die OMR-Adresse des Thread-Endgeräts jederzeit mit dem CLI-Befehl ipaddr abrufen und die Adresse einfach anpingen.

7. Veröffentlichung des Dienstes auf dem Endgerät beenden

So entfernen Sie die Adresse und den Dienst, die vom SRP-Clientknoten registriert wurden:

> srp client host remove
Done

Der Dienst _ipps._tcp sollte jetzt nicht mehr erkannt werden.

8. Glückwunsch

Glückwunsch! Sie haben OTBR erfolgreich als Thread-Border-Router eingerichtet, um bidirektionale IP-Konnektivität und Dienstermittlung für Thread-Endgeräte bereitzustellen.

Nächste Schritte

Hier sind einige Codelabs:

• OpenThread Border Router – NAT64
• OpenThread Border Router – IPv6-Multicast

Referenzdokumente

• Thread Primer
• OpenThread-Leitfäden
• OpenThread-Befehlszeilenreferenz
• OpenThread SRP-Client-CLI
• OpenThread SRP-Server-CLI