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Thread Border Router - 通过 NAT64 提供互联网访问权限

1. 简介

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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。

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。

NAT64

NAT64 是一种机制，使 IPv6 单栈网络中的主机能够访问 IPv4 网络中的资源。NAT64 网关是 IPv4 协议和 IPv6 协议之间的转换器。

作为 OpenThread 边界路由器的一部分，NAT64 转换器支持转换 TCP、UDP 和 ICMP (ICMPv6) 协议。

构建内容

在此 Codelab 中，您将设置 OpenThread 边界路由器和 Thread 设备，然后通过 OpenThread 边界路由器启用并验证 Thread 设备和互联网上的 IPv4 主机之间的通信。

学习内容

如何构建具有 NAT64 功能的 OpenThread 边界路由器。
如何通过 Thread 终端设备与 IPv4 主机通信。

所需条件

Linux 工作站，用于构建和刷写 Thread NCP、OpenThread CLI，以及测试 IPv4 连接。
一个具有 4GB RAM 的 Raspberry Pi 4，用于 Thread 边界路由器。您的 Linux 工作站应该可以通过 IPv4 从此设备访问。
2 块北欧半导体 nRF52840 DK 开发板。

此 Codelab 的网络拓扑：

2. 设置 OpenThread 边界路由器

按照“线程边界路由器 - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现”Codelab 的“设置 OTBR”步骤中的说明构建 OpenThread 边界路由器，并做出以下更改：

在构建和安装 OTBR 中，您需要指示脚本在 OpenThread 中启用 NAT64 转换器，方法是将环境变量 NAT64 设置为 1，将 NAT64_SERVICE 设置为 openthread。在执行此步骤之前运行以下命令：

$ export NAT64=1 NAT64_SERVICE=openthread

继续学习线程边界路由器 - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现 Codelab。形成 Thread 网络后，您可以通过 OpenThread CLI 命令验证边界路由器是否发布 NAT64 前缀。

首先，确保我们的边界路由器已启动并运行，并且边界路由器上已启用 NAT64：

$ sudo ot-ctl state
leader
Done
$ sudo ot-ctl nat64 enable
Done
$ sudo ot-ctl nat64 state
PrefixManager: Active
Translator: Active
Done

我们应该能够看到，OTBR 充当 Thread 主节点，并且 Thread 网络数据中有 NAT64 前缀（在本例中为 fd4c:9574:3720:2:0:0::/96）：

$ sudo ot-ctl netdata show
Prefixes:
fd4c:9574:3720:1::/64 paos low 0800
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 0800
fd4c:9574:3720:2:0:0::/96 sn low 0800
Services:
44970 01 41000500000e10 s 0800
44970 5d fdd20e532b87b93f50ad4eea0450f1bfd11f s 0800
Done

Thread 设备在与 IPv4 主机通信时将使用 NAT64 前缀。

3. 设置 Thread 终端设备

按照“使用 nRF52840 开发板和 OpenThread”Codelab 设置 Thread 网络的 FTD 步骤构建并刷写 nRF52840 CLI 终端设备，并更改以下步骤：

在构建和刷写中，调用 script/build 时，您必须将 -DOT_DNS_CLIENT=ON、-DOT_SRP_CLIENT=ON 和 -DOT_ECDSA=ON 附加到命令行：

$ cd ~/src/ot-nrf528xx
$ rm -rf build
$ script/build nrf52840 USB_trans -DOT_JOINER=ON -DOT_COMMISSIONER=ON -DOT_DNS_CLIENT=ON -DOT_SRP_CLIENT=ON -DOT_ECDSA=ON

继续完成“使用 nRF52840 开发板和 OpenThread 构建 Thread 网络”Codelab。在为终端设备刷入 CLI 映像后，按照 Thread Border Router - 双向 IPv6 连接和基于 DNS 的服务发现来设置 Thread 终端设备。

设置 Thread 终端设备后，等待几秒钟，并验证加入 Thread 网络是否成功。您应该能够从网络数据中找到 NAT64 前缀（在本例中为 fd4c:9574:3720:2:0:0::/96）：

> netdata show
Prefixes:
fd4c:9574:3720:1::/64 paos low 0800
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 0800
fd4c:9574:3720:2:0:0::/96 sn low 0800
Services:
44970 01 41000500000e10 s 0800
44970 5d fdd20e532b87b93f50ad4eea0450f1bfd11f s 0800
Done

确保网络数据与 OTBR 中的数据一致。

4. 从 Thread 终端设备与 IPv4 主机通信

现在，您可以通过我们刚刚设置的终端设备与 IPv4 网络上的主机通信。

向 IPv4 主机发送 ICMP 回显请求

从 Thread 终端设备的 CLI 中：

> ping 8.8.8.8
Pinging synthesized IPv6 address: fd4c:9574:3720:2:0:0:808:808
16 bytes from fd4c:9574:3720:2:0:0:808:808: icmp_seq=15 hlim=119 time=48ms
1 packets transmitted, 1 packets received. Packet loss = 0.0%. Round-trip min/avg/max = 48/48.0/48 ms.
Done

边界路由器会通过 nat64 mappings 命令为此设备创建一个 NAT64 映射项：

$ sudo ot-ctl nat64 mappings
|                  | Address                                                     |        | 4 to 6                  | 6 to 4                  |
+------------------+-------------------------------------------------------------+--------+-------------------------+-------------------------+
| ID               | IPv6                                     | IPv4             | Expiry | Pkts     | Bytes        | Pkts     | Bytes        |
+------------------+------------------------------------------+------------------+--------+----------+--------------+----------+--------------+
| 377ee63dd3127f1a |     fd4c:9574:3720:1:1d61:b4c1:494f:f975 |  192.168.255.254 |  7190s |        1 |           16 |        1 |           16 |
|                  |                                                                  TCP |        0 |            0 |        0 |            0 |
|                  |                                                                  UDP |        0 |            0 |        0 |            0 |
|                  |                                                                 ICMP |        1 |           16 |        1 |           16 |
Done

fd4c:9574:3720:1:1d61:b4c1:494f:f975 应该是 Thread 设备的 IPv6 地址。

随时在边界路由器上运行此命令，了解其如何计算流量。

将 DNS 查询发送到 IPv4 DNS 服务器

使用 dns resolve4 解析 IPv4 网络上的主机名。DNS 服务器地址也可以是 IPv4 地址：

> dns resolve4 example.com 8.8.8.8
Synthesized IPv6 DNS server address: fd4c:9574:3720:2:0:0:808:808
DNS response for example.com. - fd4c:9574:3720:2:0:0:5db8:d822 TTL:20456 
Done

通过 TCP 通信

IPv4 网络中的主机可以在终端设备和主机之间建立 TCP 连接。

假设您的 Linux IPv4 主机的 IP 地址为 192.168.0.2。

在您的 Linux IPv4 主机上，使用 nc 监听 TCP 连接：

$ nc -l 0.0.0.0 12345

在您的 Thread 终端设备上，建立 TCP 连接，并向 Linux IPv4 主机发送消息：

> tcp init
Done
> tcp connect 192.168.0.2 12345
Connecting to synthesized IPv6 address: fd4c:9574:3720:2:0:0:c0a8:2
Done
> tcp send hello

您的 Linux IPv4 主机输出以下内容：

hello

您也可以从 Linux IPv4 主机向 Thread 终端设备发送消息。输入“世界”然后在运行 nc 的 Linux IPv4 主机上按 Enter 键，然后 Thread 终端设备会输出：

TCP: Received 6 bytes: world

通过 UDP 通信

Thread 设备和 IPv4 网络中的主机可以使用 UDP 进行通信。

假设您的 Linux IPv4 主机的 IP 地址为 192.168.0.2。

使用 nc 监听 UDP 连接：

$ nc -u -l 0.0.0.0 12345

在 Thread 终端设备上，建立 UDP 连接并将消息发送到 Linux IPv4 主机：

> udp open
Done
> udp connect 192.168.0.2 12345
Connecting to synthesized IPv6 address: fd4c:9574:3720:2:0:0:c0a8:2
Done
> udp send hello
Done

您的 Linux IPv4 主机输出以下内容：

hello

您也可以从 Linux IPv4 主机向 Thread 终端设备发送消息。输入“世界”然后在运行 nc 的 Linux IPv4 主机上按 Enter 键，然后 Thread 终端设备会输出：

6 bytes from fd4c:9574:3720:2:0:0:c0a8:2 12345 world

5. 在边界路由器上开启 NAT64

您可以随时启用或停用 NAT64。使用 nat64 disable 停用 NAT64。并使用 nat64 state 检查 NAT64 的状态。

$ sudo ot-ctl nat64 disable
Done
$ sudo ot-ctl nat64 state
PrefixManager: Disabled
Translator: Disabled
Done

停用后，设备将不再发布 NAT64 前缀：

$ sudo ot-ctl netdata show
Prefixes:
fd4c:9574:3720:1::/64 paos low 0800
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 0800
Services:
44970 01 41000500000e10 s 0800
44970 5d fdd20e532b87b93f50ad4eea0450f1bfd11f s 0800
Done

此外，Thread 网络中的设备无法再通过此边界路由器访问 IPv4 主机。

从 Thread 终端设备的 CLI 中：

> ping 8.8.8.8
Error 13: InvalidState

使用 nat64 enable 启用 NAT64。前缀管理器可能需要一段时间才能开始通告 NAT64 前缀：

$ sudo ot-ctl nat64 enable
Done
$ sudo ot-ctl nat64 state
PrefixManager: Idle
Translator: NotWorking
Done

几秒钟后，NAT64 组件应该已启动并运行：

$ sudo ot-ctl nat64 state
PrefixManager: Active
Translator: Active
Done
$ sudo ot-ctl netdata show
Prefixes:
fd4c:9574:3720:1::/64 paos low 0800
Routes:
fd49:7770:7fc5:0::/64 s med 0800
fd4c:9574:3720:2:0:0::/96 sn low 0800
Services:
44970 01 41000500000e10 s 0800
44970 5d fdd20e532b87b93f50ad4eea0450f1bfd11f s 0800
Done

请注意，停用 NAT64 将清除映射表：

$ sudo ot-ctl nat64 mappings
|                  | Address                                                     |        | 4 to 6                  | 6 to 4                  |
+------------------+-------------------------------------------------------------+--------+-------------------------+-------------------------+
| ID               | IPv6                                     | IPv4             | Expiry | Pkts     | Bytes        | Pkts     | Bytes        |
+------------------+------------------------------------------+------------------+--------+----------+--------------+----------+--------------+
Done

6. 将 DNS 查询转发到上游 DNS 服务器

在边界路由器上启用 NAT64 后，OpenThread 会尝试将互联网网域的 DNS 查询转发到上游 DNS 服务器。

内部 DNS-SD 服务器支持此功能，因此您需要确保 DNS-SD 服务器已启用。

$ sudo ot-ctl srp server state
running
Done

如果该属性的值不是 running，则将其启用：

$ sudo ot-ctl srp server enable
Done

确保已启用上游 DNS 代理：

$ sudo ot-ctl dns server upstream
Enabled
Done

如果该属性的值不是 Enabled，则将其启用：

$ sudo ot-ctl dns server upstream enable
Done

在终端设备上，确保 SRP 客户端已启用，以便其将 DNS 查询发送到边界路由器：

> srp client state
Enabled
Done

如果该属性的值不是 Enabled，则将其启用：

> srp client autostart enable
Done

在终端设备上，确保默认的 DNS 服务器为边界路由器：

> dns config
Server: [fdd2:0e53:2b87:b93f:50ad:4eea:0450:f1bf]:53
ResponseTimeout: 6000 ms
MaxTxAttempts: 3
RecursionDesired: yes
Done

服务器 IPv6 地址（上述示例中的 fdd2:0e53:2b87:b93f:50ad:4eea:0450:f1bf）应该是 OpenThread 边界路由器的地址之一。

现在，您可以从终端设备发送互联网网域的 DNS 查询：

> dns resolve example.com
DNS response for example.com. - 2606:2800:220:1:248:1893:25c8:1946 TTL:8720 
Done
> dns resolve4 example.com
DNS response for example.com. - fd4c:9574:3720:2:0:0:5db8:d822 TTL:20456 
Done

7. 恭喜

恭喜，您已成功设置支持 NAT64 的边界路由器，并用它来为 Thread 终端设备提供互联网访问权限！

深入阅读

参考文档

RFC 6146：有状态 NAT64：从 IPv6 客户端到 IPv4 服务器的网络地址和协议转换