Routeur de bordure Thread : connectivité IPv6 bidirectionnelle et découverte de services basés sur le DNS

1. Introduction

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Qu'est-ce qu'un routeur de bordure Thread ?

Thread est un protocole de réseau maillé sans fil basse consommation basé sur l'adresse IP, qui permet des communications sécurisées d'appareil à appareil et d'appareil à cloud. Les réseaux Thread peuvent s'adapter aux changements de topologie pour éviter le point de défaillance unique.

Un routeur de bordure Thread connecte un réseau Thread à d'autres réseaux basés sur les adresses IP, comme le Wi-Fi ou Ethernet. Un réseau Thread nécessite un routeur de bordure pour se connecter à d'autres réseaux. Un routeur de bordure Thread est compatible avec les fonctions suivantes au minimum:

  • Connectivité IP bidirectionnelle entre les réseaux Thread et les réseaux Wi-Fi/Ethernet.
  • Détection de services bidirectionnelle via mDNS (sur la liaison Wi-Fi/Ethernet) et SRP (sur le réseau Thread).
  • Thread sur infrastructure qui fusionne les partitions de thread via des liens basés sur l'adresse IP.
  • Mise en service de threads externes (par exemple, un téléphone mobile) pour authentifier et associer un appareil Thread à un réseau Thread.

Le routeur de bordure OpenThread (OTBR) publié par Google est une implémentation Open Source du routeur de bordure Thread.

Objectifs de l'atelier

Dans cet atelier de programmation, vous allez configurer un routeur de bordure Thread et connecter votre téléphone mobile à un appareil de fin Thread via ce routeur.

Points abordés

  • Configurer OTBR
  • Créer un réseau Thread avec OTBR
  • Comment construire un appareil CLI OpenThread avec la fonctionnalité SRP
  • Enregistrer un service auprès de la SRP
  • Identifier les appareils finaux Thread et les joindre

Prérequis

  • Un appareil Raspberry Pi 3/4 et une carte SD avec capacité d'au moins 8 Go.
  • 2 cartes de développement Nordic Semiconductor nRF52840.
  • Un point d'accès Wi-Fi sans validation de l'annonce de routeur IPv6 activée sur le routeur.
  • Un téléphone iOS équipé d'iOS 14 ou version ultérieure d'Android 8.1.

2. Configurer OTBR

Configurer Raspberry Pi

Il est simple de configurer un appareil Raspberry Pi à l'aide de l'outil rpi-imager en suivant les instructions disponibles sur raspberrypi.org (au lieu d'utiliser le dernier OS Raspberry Pi dans l'outil, téléchargez 2021-05-07-raspios-buster-armhf-lite par vous-même). Pour suivre les étapes de cet atelier de programmation sur les téléphones mobiles, vous devez connecter le Raspberry Pi à un point d'accès Wi-Fi. Suivez ce guide pour configurer la connectivité sans fil. Il est pratique de se connecter au Raspberry Pi avec SSH. Pour obtenir des instructions, cliquez ici.

Obtenir le code OTBR

Connectez-vous à votre Raspberry Pi et clonez ot-br-posix à partir de GitHub:

$ git clone https://github.com/openthread/ot-br-posix.git --depth 1

Compiler et installer OTBR

OTBR comporte deux scripts qui amorcent et configurent le routeur de bordure Thread:

$ cd ot-br-posix
$ ./script/bootstrap
$ INFRA_IF_NAME=wlan0 ./script/setup

OTBR fonctionne à la fois sur une interface Thread et sur une interface réseau d'infrastructure (par exemple, Wi-Fi/Ethernet), spécifiée avec INFRA_IF_NAME. L'interface Thread est créée par OTBR elle-même et nommée wpan0 par défaut. L'interface d'infrastructure a la valeur par défaut wlan0 si INFRA_IF_NAME n'est pas explicitement spécifié. Si votre Raspberry Pi est connecté via un câble Ethernet, indiquez le nom de l'interface Ethernet (par exemple, eth0):

$ INFRA_IF_NAME=eth0 ./script/setup

Vérifiez si OTBR a bien été installé:

$ sudo service otbr-agent status
● otbr-agent.service - Border Router Agent
   Loaded: loaded (/lib/systemd/system/otbr-agent.service; enabled; vendor preset: enabled)
   Active: activating (auto-restart) (Result: exit-code) since Mon 2021-03-01 05:43:38 GMT; 2s ago
  Process: 2444 ExecStart=/usr/sbin/otbr-agent $OTBR_AGENT_OPTS (code=exited, status=2)
 Main PID: 2444 (code=exited, status=2)

Il est normal que le service otbr-agent ne soit pas actif, car il nécessite un chip RCP pour fonctionner.

Redémarrez le Raspberry Pi pour appliquer les modifications.

Création et flash du micrologiciel RCP

L'OTBR est compatible avec une puce radio 15.4 en mode RCP (Radio Co-Processor). Dans ce mode, la pile OpenThread s'exécute côté hôte et transmet/reçoit des trames sur l'émetteur-récepteur IEEE802.15.4.

Suivez l'étape 4 de l'atelier de programmation Créer un réseau Thread avec des cartes nRF52840 et OpenThread pour créer et flasher un appareil RCP nRF52840:

$ script/build nrf52840 USB_trans

Démarrer OTBR et vérifier l'état

Connectez la carte nRF52840 à votre Raspberry Pi et démarrez le service otbr-agent:

$ sudo service otbr-agent restart

Vérifiez que le service otbr-agent est actif:

$ sudo service otbr-agent status
● otbr-agent.service - Border Router Agent
   Loaded: loaded (/lib/systemd/system/otbr-agent.service; enabled; vendor preset: enabled)
   Active: active (running) since Mon 2021-03-01 05:46:26 GMT; 2s ago
 Main PID: 2997 (otbr-agent)
    Tasks: 1 (limit: 4915)
   CGroup: /system.slice/otbr-agent.service
           └─2997 /usr/sbin/otbr-agent -I wpan0 -B wlan0 spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0

Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Stop publishing service
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [adproxy] Stopped
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: PSKc is not initialized
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Check if PSKc is initialized: OK
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Initialize OpenThread Border Router Agent: OK
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: Border router agent started.
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [INFO]-CORE----: Notifier: StateChanged (0x00038200) [NetData PanId NetName ExtPanId]
Mar 01 05:46:26 raspberrypi otbr-agent[2997]: [INFO]-PLAT----: Host netif is down

3. Créer un réseau Thread

Une commande ot-ctl permet de contrôler le service otbr-agent. ot-ctl accepte toutes les commandes de la CLI OpenThread, consultez le guide de la CLI OpenThread pour plus de détails.

Créer un réseau Thread avec OTBR:

$ sudo ot-ctl dataset init new
Done
$ sudo ot-ctl dataset commit active
Done
$ sudo ot-ctl ifconfig up
Done
$ sudo ot-ctl thread start
Done

Attendez quelques secondes. Nous devrions voir que OTBR agit en tant que Thread leader et qu'il y a un préfixe off-mesh-routable (OMR) dans les données réseau du thread:

$ sudo ot-ctl state
leader
Done
$ 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

4. Configurer l'appareil final du client SRP

Build et flash OT CLI

Suivez l'étape 5 de l'atelier de programmation Créer un réseau Thread avec des cartes nRF52840 et OpenThread pour créer et flasher un appareil de fin de la CLI nRF52840.

Toutefois, au lieu d'avoir OT_COMMISSIONER et OT_JOINER activés, le nœud CLI nécessite les fonctionnalités OT_SRP_CLIENT et OT_ECDSA.

L'appel de compilation complet doit donc se présenter comme suit:

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

Rejoindre le réseau OTBR

Pour rejoindre le réseau Thread créé par le service otbr-agent, nous devons obtenir l'ensemble de données opérationnel actif à partir de l'appareil OTBR. Revenons à la ligne de commande otbr-agent et récupérons l'ensemble de données actif:

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

Revenez à la session d'écran du nœud client SRP et définissez l'ensemble de données actif:

> dataset set active 0e080000000000010000000300001235060004001fffe002083d3818dc1c8db63f0708fda85ce9df1e662005101d81689e4c0a32f3b4aa112994d29692030f4f70656e5468726561642d35326532010252e204103f23f6b8875d4b05541eeb4f9718d2f40c0302a0ff
Done

Ensuite, démarrez l'interface Thread:

> ifconfig up
Done
> thread start
Done

Attendez quelques secondes, puis vérifiez si vous avez réussi à rejoindre le réseau Thread:

> 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

Vérifiez que les données réseau correspondent à celles indiquées sur l'OTBR. Nous pouvons maintenant pinguer l'adresse OMR de l'OTBR:

> 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

5. Publier le service sur l'appareil final

Le mDNS est largement utilisé pour publier des services DNS-SD en liaison locale. Toutefois, les messages multicast consomment trop de bande passante et épuisent rapidement la batterie des appareils à faible consommation. Thread utilise le protocole unicast SRP pour enregistrer ses services auprès du routeur de bordure et s'appuie sur ce dernier pour annoncer les services via le lien Wi-Fi ou Ethernet.

Nous pouvons enregistrer un service à l'aide de la commande srp client.

Accédez à la session d'écran du nœud client SRP et démarrez automatiquement le client SRP:

> srp client autostart enable
Done

Définissez le nom d'hôte qui sera annoncé sur le lien Wi-Fi/Ethernet:

> srp client host name ot-host
Done

Pour qu'un appareil connecté à un lien Wi-Fi/Ethernet puisse atteindre un appareil final Thread, l'adresse OMR de l'appareil final doit être annoncée:

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

Pour terminer, enregistrez un faux service _ipps._tcp:

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

Patientez quelques secondes. Le service devrait être enregistré:

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

Nous avons terminé toutes les étapes de configuration, et le service _ipps._tcp aurait dû être annoncé via le lien Wi-Fi/Ethernet. Il est temps de découvrir et d'atteindre l'appareil final !

6. Découvrir le service

Découvrir le service sur un téléphone mobile

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Nous utilisons l'application Service Browser pour détecter les services mDNS sur le téléphone Android. Une application équivalente est également disponible pour les appareils mobiles iOS. Ouvrez l'application. Le service _ipps._tcp devrait s'afficher.

Découvrir le service avec un hôte Linux

Si vous souhaitez découvrir le service à partir d'un autre hôte Linux, vous pouvez utiliser la commande avahi-browse.

Installez avahi-daemon et avahi-utils :

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

Résolvez le problème de service:

$ 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 = []
...

Découvrir le service avec un hôte macOS

Vous pouvez résoudre le service à l'aide de dns-sd sous macOS:

$ 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     ""
...

7. Pinguez l'appareil final

Pinguer depuis un téléphone mobile

Prenons l'exemple du téléphone Pixel : nous pouvons trouver l'adresse OMR du service "ot-service" précédemment enregistré. sur la page d'informations de l'instance de service dans l'application Navigateur de services.

bb992962e68d250b.png 888daa1df1e1a9bf.png

Nous pouvons maintenant pinguer l'adresse OMR avec une autre application Network Analyzer.

Malheureusement, la version Android de l'application Network Analyzer n'est pas compatible avec les requêtes mDNS pour l'utilitaire ping. Nous ne pouvons donc pas pinguer directement le nom d'hôte ot-host.local (nous pouvons pinguer le nom d'hôte avec la version iOS de l'application).

Pinguer à partir d'un hôte Linux/macOS

Le routeur de bordure Thread envoie des annonces de routeur ICMPv6 (RA) pour annoncer les préfixes (via l'option d'informations de préfixe) et les routes (via l'option d'informations de routage) sur la liaison Wi-Fi/Ethernet.

Préparer l'hôte Linux

Il est important de s'assurer que la RA et RIO sont activées sur votre hôte:

  1. net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra doit être au moins égal à 1 si le transfert IP n'est pas activé, et 2 dans le cas contraire.
  2. net.ipv6.conf.wlan0.accept_ra_rt_info_max_plen ne doit pas être inférieur à 64.

accept_ra est défini par défaut sur 1 pour la plupart des distributions. Toutefois, d'autres daemons réseau peuvent remplacer cette option (par exemple, dhcpcd sur Raspberry Pi remplacera accept_ra par 0). Vous pouvez vérifier la valeur accept_ra avec:

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

Définissez ensuite la valeur sur 1 (ou 2 si le transfert IP est activé) à l'aide de la commande suivante:

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

Sur la plupart des distributions Linux, l'option accept_ra_rt_info_max_plen est définie par défaut sur 0. Définissez-la sur 64 avec:

$ 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

La modification sera perdue après le redémarrage de l'hôte. Par exemple, ajoutez les commandes ci-dessous à /etc/sysctl.conf pour activer définitivement RIO:

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

Il est peut-être trop tard pour modifier ces configurations, car le service OTBR envoie déjà des messages RA et l'intervalle entre deux messages RA non sollicités peut être de plusieurs centaines de secondes. Vous pouvez par exemple vous déconnecter et vous reconnecter au point d'accès Wi-Fi pour envoyer des messages de sollicitation de routeurs afin que le service OTBR réponde par les demandes d'association. Vous pouvez également redémarrer la fonction "Routage de bordure" sur le routeur de bordure:

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

Si vous essayez de reconnecter le Wi-Fi ou de redémarrer l'interface Ethernet, assurez-vous que dhcpcd n'est pas utilisé pour gérer votre réseau IPv6 Wi-Fi/Ethernet. Étant donné que dhcpcd remplace toujours l'option accept_ra à chaque redémarrage de l'interface, et votre configuration accept_ra sera perdue. Ajoutez les lignes ci-dessous au fichier de configuration dhcpcd (par exemple, /etc/dhcpcd.conf) pour désactiver explicitement IPv6 dans dhcpcd:

noipv6
noipv6rs

Vous devez redémarrer l'appareil pour que la modification soit prise en compte.

Préparer l'hôte macOS

Les deux options accept_ra* sont activées par défaut, mais vous devez passer à macOS Big Sur au minimum.

Pinguer le nom d'hôte ou l'adresse IPv6

Nous pouvons maintenant pinguer le nom d'hôte ot-host.local avec la commande ping -6 (ping6 pour macOS):

$ 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
...

Cette commande peut échouer sur les hôtes Linux avec l'erreur "Name or service not known". En effet, la commande ping ne résout pas le nom ot-host.local. avec des requêtes mDNS. Ouvrez /etc/nsswitch.conf et ajoutez mdns6_minimal à la ligne commençant par hosts:

hosts:          files mdns4_minimal mdns6_minimal dns

Bien entendu, vous pouvez toujours pinguer l'adresse IPv6 directement:

$ 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
...

8. Annuler la publication du service sur l'appareil final

Pour supprimer l'adresse et le service enregistrés à partir du nœud client SRP:

> srp client host remove
Done

Vous ne devriez pas être en mesure de découvrir le service _ipps._tcp maintenant.

9. Félicitations

Félicitations ! Vous avez correctement configuré l'OTBR en tant que routeur de bordure Thread afin de fournir une connectivité IP bidirectionnelle et une détection de services aux appareils finaux Thread.

Et ensuite ?

Découvrez quelques-uns des ateliers de programmation...

Documents de référence