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日志

让esp8266变身无线中继

热度 1已有 927 次阅读2016-12-25 10:30 | 无线

esp是非常便宜的芯片,只需要10块就可以到手玩了。
一个高手发表了补丁,可以让esp8266支持wifi无线中继。
具体说明在:
http://d.hatena.ne.jp/NeoCat/20161012/1476219628

ESP8266でNAT(NAPT)でWi-Fiを中継するAdd Startekimen

ESP8266(ESP-WROOM-02)を最近よく使っています。

ESP8266を使ったセンサを、Wi-Fiアクセスポイントから遠い、直接電波の届きにくい場所に置きたかったため、ESP8266をもう一つ使ってWi-Fiの到達範囲を拡張する中継機にした(といってもブリッジではなくNAPTルータ)という話です。

f:id:NeoCat:20161012055701p:image


とその前に軽くESP8266について紹介しておくと…(もう知ってる方は読み飛ばしてください)


ESP8266の紹介

ESP8266は無線LANモジュールです。購入した状態では外部のマイコンからATコマンドで制御できます。が、LX106という32bit MCUを搭載しており、このモジュール単体でArduino IDEからプログラミングして動作させることが可能です。この方が圧倒的に便利なので、私自身はATコマンドで使ったことはありません。

しかも安価(単体なら400円台)ですし、ESP-WROOM-02は技適も取得していて安心して使え、AVRと比べて高性能(CPUクロック80~160MHz, 4MBフラッシュ, 36KB RAM)。アナログ入力も1ch搭載していて、センサ・アクチュエータ等を簡単にネットワーク接続できるので非常に便利です。


Arduinoとして利用する方法は下記などが参考になります。

技適済み格安高性能Wi-FiモジュールESP8266をArduinoIDEを使ってIoT開発する為の環境準備を10分でやる方法 - Qiita


なお開発時はモジュール単体よりも、下記のようなブレークアウトボード・開発ボードを購入するのが良いでしょう。特にESPr DeveloperはUSBを接続するだけでいきなり開発が始められ、シリアル変換や書き込みモード設定など気にしなくて済むので非常に楽です(お値段はしますが)。

ESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《フル版》 - スイッチサイエンス

ESPr Developer(ピンソケット実装済) - スイッチサイエンス


ちなみにシリアルでスケッチを書き込むと、ファームウェアが大きいため*1転送に少し時間がかかりますが、Wi-Fi経由で高速にアップロードすることも可能です。

ESP-WROOM-02 + ArduinoOTAでスケッチのWiFi経由アップロード - Qiita


他にもLua等でもプログラミングが可能なファームウェアもあります。

ESP8266(ESP-WROOM-02)自分的まとめ - 半空洞男女関係


Wi-Fiのモード

ESP8266は、自身がWi-FiアクセスポイントになるWIFI_APモード、既設のWi-Fiアクセスポイントに接続するWIFI_STAモードの両方をサポートしています。

しかしこれ以外にWIFI_AP_STAという、他のアクセスポイントに接続しつつ、同時に自分もアクセスポイントとして他のクライアントからのWi-Fi接続を受け付けるということができます。(ちなみにArduino化した直後のデフォルトではこのモードになっているため、明示的にモード指定していないと ESP_xxxxxx というSSIDが発信されています。APのON/OFFやSSID等の設定はフラッシュに不揮発に保存され、前回の値が電源ONに設定されます。)


モードの切り替えは以下のようにWiFi.mode()を使用します。

const char *ssid = "ParentAP";
const char *password = "********";

const char *ap_ssid = "ESPap";
const char *ap_password = "ESPap_password";
...
  WiFi.mode(WIFI_AP_STA);  // モード設定

  WiFi.softAP(ap_ssid, ap_password);  // APのSSID・パスワード設定
  IPAddress myIP = WiFi.softAPIP();   // APとしてのIPアドレスを取得。デフォルトは 192.168.4.1 ?
  Serial.print("AP IP address: ");
  Serial.println(myIP);

  WiFi.begin(ssid, password);  // 別のAPに接続

子端末になるESP8266では、上記のap_ssidに対してWiFi.begin()で接続することになります。こうすると以下のような接続状態になります。

 親AP(192.168.10.1) <=> (192.168.10.x) ESP8266 (AP: 192.168.4.1) <=> (192.168.4.y)子端末

なお、親と子で別のサブネットアドレスになっていないと(少なくとも親ネットワーク側からは)通信不能となるのでご注意を。


IPアドレスDHCPで自動的に設定されます(静的に指定もできます)。

また、ESP8266WiFiMultiを使って複数の接続先SSIDを指定しておけば、接続できる方に自動接続するということも可能です。詳しくはWiFiMultiというサンプルスケッチを見てください。

Wi-Fi中継の方法

APクライアントに同時接続できるということは、Wi-Fi中継機として使えるのでは?と思うわけですが、そのままでは中継機能(IP_FORWARD)は無効化されており、SDKに含まれるIPスタック(lwip)の設定を変更する必要があります。

参考: ESP8266 lwip IP_FORWARD/routing - ESP8266 Developer Zone


これにより、親APネットワークとESP8266 APネットワークの間でパケットが転送されるようになります。しかし、これだけでは親APやそのネットワーク内の各端末に「192.168.4.0/24 にアクセスするには 192.168.10.x をルータとして使う」というルーティング情報を設定しないと、通信が行えません(子端末からのパケットはESP8266がデフォルトゲートウェイになるので設定しなくとも親APネットワークに出て行けますが、その応答パケットが戻っていくためのルーティング情報を設定しないと応答が得られません)。


この設定を不要にする方法として、普通のルータで使われている方式としてNAT(正確にはNAPT)があります。子端末から親ネットワークに出ていく際にソースアドレスをESP8266のもの(192.168.10.x)に書き換えておき、逆にこれに対する応答パケットが来た際には適切に子端末宛てに書き換えるというものです。(戻り先を特定するためにはセッション管理が必要になります。)


なお他にネットワークブリッジとして機能させることも考えられますが、こちらは色々ルーティングに改造を加えないと難しい気がして手を出していません。


NATを実装する

esp8266のSDKのlwipをざっと眺めたところ、NATの機能はないようでしたので、自分で実装してみました。


変更の内容はGitHubに置いてあります。

https://github.com/NeoCat/esp8266-Arduino/commit/4108c8dbced7769c75bcbb9ed880f1d3f178bcbe

上記のバグ修正コミット

https://github.com/NeoCat/esp8266-Arduino/commit/634dfb5f60e902c681c95712bc7455e24773667d


ボードマネージャ等でESP8266のライブラリを導入している場合は、以下のパッチを当てることで対応できます。

https://gist.github.com/NeoCat/da3c141813980edaa256ad351cab3a2c (バグ修正コミットを含む差分)


上記からRaw(またはDownload ZIP)でパッチを適当な場所に保存し、Macであれば端末から

$ cd ~/Library/Arduino15/packages/esp8266
$ patch -p1 < (保存した場所)/0001-Adds-NAPT-and-port-mapping-functionality-to-esp8266-.patch

とすればパッチを適用できます。適用後、lwipを再コンパイルする必要があります。

$ cd hardware/esp8266/2.3.0/tools
$ ln -s ../../../../tools/xtensa-lx106-elf-gcc/1.20.0-* xtensa-lx106-elf
$ cd sdk/lwip/src
$ make && make release  #=> intalled to ../../lib/liblwip_gcc.a

パッチを適用したら、Arduinoのスケッチ内で以下のようにすることでNATを有効化できます。

#define IP_PROTO_TCP     6
#define IP_PROTO_UDP     17
// SDKに追加した関数のプロトタイプ宣言
extern "C" {
  void ip_napt_enable(unsigned long addr, int enable);
  void ip_portmap_add(byte proto, unsigned long maddr, unsigned short mport,
                      unsigned long daddr, unsigned short dport);
  bool ip_portmap_remove(byte proto, unsigned short mport);
}
...
    // WiFi.begin等の後で
    ip_napt_enable(WiFi.softAPIP(), 1);

これ以降、子端末からのTCP/UDP/ICMP(pingのみ)のパケットは親ネットワークにアドレス変更の上で転送され、応答も対応付けてアドレス変換されます。

なおTCPUDPの送信元ポート番号(1024以上)も重複を避けるために変換対象になります。


ネットワークから子端末のTCP/UDPサーバアクセスするためには、ESP8266の特定ポートを子端末にマッピングする必要があります。このためにはスケッチから、

        ip_portmap_add(IP_PROTO_TCP, WiFi.localIP(), 8080,
                                     IPAddress(192,168,4,3), 80);

のように、対象プロトコル(TCPまたはUDP)、ESP8266上のマッピングするポート、転送先となる子端末のIPアドレスポートを指定します。

この例では、親ネットワークから 192.168.10.x:8080 にアクセスすると、子端末192.168.4.3の80番ポート(Webサーバ)に接続できます。

ポートマッピングを解除するには、以下のようにします。

        ip_portmap_remove(IP_PROTO_TCP, 8080);

なお実装上、1つの宛先(アドレス+ポート)に対しては1つのポートしかマッピングできず、同一の宛先を複数ポートにマップすると動作がおかしくなるのでご注意ください。


制限事項


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

发表评论 评论 (4 个评论)

回复 arainbow 2017-1-13 21:40
很好,一定要买 个玩玩
回复 arainbow 2017-1-23 18:24
我搞了一个NODEMCU,刷了LUA(大概出厂也是LUA,没搞出来),简单试下ADC、PWM、GPIO还挺好,WIFI功能也很好。
板子启动速度真是飞快啊,一通电立刻就运行起来了。
这个做NAT的WIFI中继的,我C语言不好,不太会弄。
您有没搞好的现成的,放出来文件让俺也刷一下?
回复 心想事成 2017-2-16 10:04
没搞,有时间试一下。
回复 心想事成 2017-8-16 09:15
https://github.com/martin-ger/esp_wifi_repeater

facelist doodle 涂鸦板

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