20 total views,  1 views today

Ved hjelp av et kretskort som dekoder MP3 til lydsignaler kan vi lage en MP3-spiller eller en Internet-radio. Alt som trengs er litt programmering i Rasberry Pico. Her brukes programmeringsspråket MicroPython.

Anders Fongen, mai 2023

Lyd lagret som MP3 må dekodes før det kan sendes som lydsignaler til en høyttaler. En slik dekoder kan lages i programvare, dersom prosessoren er kraftig nok. Dette går greit i en PC, men en mikrokontroller (f.eks. Arduino, EPS8266, Raspberry Pico) kan ikke påregnes å ha tilstrekkelig datakraft for dette formålet.

Det finnes egne integrerte kretser som utfører MP3-dekoding i maskinvaren, uavhengig av prosessorkraften i kontrolleren, og som lar oss lage en MP3-spiller med billige og strømsparende komponenter. Denne bloggartikkelen vil vise hvordan slike komponenter koples sammen og hvordan programmeringen gjøres.

Komponenter som kan brukes

Mange komponenter kan brukes for et eksperiment likt det som presenteres her. De valgte komponentene er en Raspberry Pico (heretter kalt RPico) og en dekoderkrets kalt VS1053 fra VLSI Solutions.

Oppsett og programmering av RPico blir ikke gjennomgått her, det finnes mange hjelperessurser for dette formålet på nettet. Her vil det vises hvordan RPico og VS1053 koples sammen, og den programmeringskoden som kjører i RPico for å oppnå ønsket virkemåte.

En VS1053 er kun en liten brikke/chip, så for eksperimentformål er det vanlig å bruke et kretskort som også inkluderer støttekretser og tilkoplingspunkter. Som vist på bildet under er det utstyrt med koplingspinner som passer ned i et vanlig prototyp-brett (“breadboard”).

VS1053 er en ganske avansert brikke som i tillegg til å dekode MP3 også dekoder lyd kodet med WAV, WMA, OGG, eller MIDI. Den kan ta opp lyd gjennom en mikrofonport (evt. linjeport) og kode den til OGG m.m. (dog ikke til MP3). Kretskortet som er brukt i denne artikkelen har også en SD-kortleser.

For å ta kretskortet i bruk koples en høyttaler til den ene minijack-porten, mens tilkoplingspinnene koples til pinner på RPico. Gjennom disse ledningene går det signaler for å konfigurere VS1053 for det foreliggende formålet, og for å overføre digitale lydsignaler som skal dekodes.

I ledningene mellom VS1053 og RPico benyttes en overføringsmetode som kalles Serial Peripheral Interface (SPI). Dette er en såkalt seriell metode hvor én og en bit overføres i høyt tempo over en enkel ledning. Fordelen med å benytte en “standardisert” metode er at den kan styres fra maskinvaren slik at det krever mindre programmering, og belaster hovedprosessoren mindre. Dessuten er SPI utformet slik at kontrolleren kan snakke med flere enheter gjennom samme ledning (som vi da kaller en buss). I dette tilfellet kan både SD-kortleseren og dekoderen bruke samme ledningssett.

Ledningsnettet

Tegningen nedenfor viser hvordan RPico og VS1053 kan koples sammen. Her er det mange valgmuligheter, men det må være samsvar mellom hvilke pinner på kontrolleren som brukes, og programvaren som skal styre dem. Det er altså mulig å velge andre pinner på RPico enn hva som foreslås her.

Tilkoplingspunkter på VS1053 og RPico

Bildet over viser navnene som er gitt til pinnene på VS1053. De avviker noe fra de navnene som brukes på databladet, så her kreves litt utprøving for å fortstå hvilke funksjoner de har. Her er fasiten:

VS1053 påtrykk	Beskrivelse	Koples til RPico pin	Navn på RPico
5V	Driftsspenning	40	VBUS
GND	Jordforbindelse	38	GND
CS	Chip select for SD-kortleseren	2	GPIO 1
MISO	SPI datalinje fra VS1053	6	GPIO 4
SI	SPI datalinje til VS1053	5	GPIO 3
SCK	SPI klokkesignal	4	GPIO 2
XCS	Chip select for MP3-dekoderen	9	GPIO 6
XRES	Hard reset (aktiv lav)	1	GPIO 0
XDCS	Data select (RPico->VS1053)	10	GPIO 7
DREQ	Data request (VS1053->RPico)	11	GPIO 8

Merk at pinnene CS, XCS, XRES, XDCS er alle “aktiv lav”, dvs. at de skal ha 0 volt for å gi effekt. Dette fremgår også fra programkoden.

Bildet over til høyre viser bruken av en flatkabel med ledninger i forskjellige farger for å gjøre denne sammenkoplingen. Det er lett å gjøre feil i denne prosessen, og fargene var til stor hjelp. Et bilde over pinnene på RPico vises på bildet under. Legg merke til at pinnene MISO, SI og SCK er koplet til RPico på pinnene 4-6, som alle er benevnet SPI0. Om andre pinner brukes til dette formålet er det nødvendig at de koples til samme SPI-kanal (0 eller 1) med betegnelsene RX, TX og SCK.

Kommunikasjon med VS1053

RPico kommuniserer med VS1053 på en av fire måter:

1. Skriv til et register. Verdiene i registrene konfigurerer VS1053. Programkoden viser hvilke verdier som er nødvendig for eksperimentet i denne artikkelen. Full oversikt over registerverdier finnes i databladet.
2. Les verdien av et register. Ikke strengt nødvendig i denne artikkelen, men nyttig for å kontrollere at en skriveoperasjon er vellykket.
3. Sende data. I denne artikkelen vil vi sende MP3-kodet lyd til dekoderen, og det skjer på denne måten.
4. Motta data. VS1053 kan også kode lyd til digital form, som da kan mottas av RPico. Ikke brukt i denne artikkelen.

Skrive til et register

For å skrive en registerverdi må RPico gjøre følgende:

• Sette XCS=0, XDCS=1
• Vente til DREQ==1
• Bygge en 4 byte streng som starter på x02, deretter fulgt av adressen til registeret, og to bytes med den 16-bits verdien som skal skrives dit.
• Sende strengen til SPI-kanalen
• Sette XCS=1

Her ser du Python-koden for funksjonen write_command:

    def write_command(self, address_byte, data_byte1, data_byte2):
        # Set the control pins to indicate a command
        self.xcs.value(0)
        self.xdcs.value(1)

        while not self.dreq.value():
            pass

        # Send the address and data bytes over SPI
        ba = (bytearray([0x02, address_byte, data_byte1, data_byte2]))
        self.spi.write(ba)

        # Turn off XCS signals
        self.xcs.value(1)

Lese en registerverdi

For å lese verdien lagret i et register må RPico gjøre dette:

• Sette XCS=0, XDCS=1
• Vente til DREQ==1
• Bygge en 2 byte streng som starter på x03, deretter følger adressen til registeret.
• Sende strengen til SPI-kanalen
• Lese to bytes fra SPI-kanalen, som inneholder verdien av registeret.

Slik:

    def read_register(self, address_byte):
        # Set the control pins to indicate a command
        self.xcs.value(0)
        self.xdcs.value(1)
        while not self.dreq.value():
            pass
        self.spi.write(bytearray([0x03, address_byte]))

        resp = self.spi.read(2)

        self.xcs.value(1)
        return resp

Sende data

Disse stegene er nødvendige:

• Sette XCS=1, XDCS=0
• Vente til DREQ==1
• Sende maksimalt 32 bytes til SPI-kanalen
• Sette XDCS=1

Slik:

    def write_data(self, data):
        # Set the control pins to indicate data
        self.xcs.value(1)
        self.xdcs.value(0)

        while not self.dreq.value():
            pass
        self.spi.write(data)
        self.xdcs.value(1)

Nødvendige deklarasjoner

Noen programsetninger er nødvendige for å deklarere og initialisere portene, samt importere noen nødvendige biblioteker:

from machine import Pin, SPI
import time
spi_mosi = Pin(3)
spi_miso = Pin(4)
spi_sck = Pin(2)

# Define the pins for the VS1053 module
vs1053_xcs = Pin(6)
vs1053_xdcs = Pin(7)
vs1053_dreq = Pin(8)
vs1053_reset = Pin(0)

# Initialize the SPI bus for the mp3 decoder 
co_spi = SPI(0, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=spi_sck,\\
   mosi=spi_mosi, miso=spi_miso)

Jeg har valgt å legge all håndteringen av VS1053 inn som en klasse i Python, og den blir initialisert med denne koden:

class VS1053:
    def __init__(self, spi, xcs, xdcs, dreq, reset):
        self.xcs = xcs
        self.xdcs = xdcs
        self.dreq = dreq
        self.reset = reset
        self.spi = spi

    def init(self):
        self.xcs.init(Pin.OUT, value=1)
        self.xdcs.init(Pin.OUT, value=1)
        self.dreq.init(Pin.IN)
        self.reset.init(Pin.OUT, value=1)

        # Reset the VS1053 module
        self.reset(vs1053_reset)
        self.write_command(0x0, 0x8, 0x4)
        self.write_command(0x3, 0xe0, 0)    # Clock multiplier
        self.write_command(0xb, 0x30, 0x30) # Volume control, 0-loudest	

    def reset(self,pin_reset): # Hardware reset of VS1053
        self.reset.value(0)
        time.sleep_ms(1)
        self.reset.value(1)

Utover det å opprette instansvariabler, vil koden initialisere GPIO-portene med riktig tilstand, resette VS1053 og så skrive inn noen nødvendige registerverdier. Se seksjon 9.6 i databladet for en full beskrivelse av disse.

Full operasjon av VS1053

Etter konfigurasjon slik som beskrevet over og med de funksjonene for lesing og skriving til VS1053 kan vi nå finne frem MP3-data for å teste at vi får avspilt lyd. MP3-data kan finnes fra mange kilder, men i denne artikkelen vil to muligheter belyses nærmere: (1) Hente MP3-filer fra et SD-minnekort, dvs. filer som du har kjøpt på nettet eller hentet fra CD-plater (kalt “ripping”). (2) Hente MP3-data fra nettet med såkalt “strømming”, som innebærer at lyden spilles av etter hvert som de hentes. Begge alternativer vil bli demonstrert, men metoden med å hente data fra nettet er den enkleste og vil bli vist først.

Internet radio

Raspberry Pico finnes i en “W”-versjon (kalt RPicoW heretter), og den har kretser som kan koples til et trådløst nett og videre til Internet. Med denne versjonen brukt i dette eksperimentet er det relativt enkelt å bruke denne muligheten til å spille av radiostasjoner på Internet.

Her viser vi først programsetningene for å kople RPicoW til et trådløst nett (connect_wifi). Vi trenger som vanlig SSID (nettets navn) og et passord som må legges inn i programmet. Funksjonen connect setter opp en forbindelse til en web-tjener. For det formålet trenger vi en URL som inneholder web -tjenerens navn og angivelse av den MP3-strømmen som ønsket mottatt. MicroPython inneholder ikke ferdiglaget kode for HTTP-protokollen, så funksjonen inneholder også noen kodesetninger som starter den faktiske dataoverføringen.

class netradio:
    def connect_wifi(self,ssid,password):
        self.sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
        self.sta_if.active(True)
        self.sta_if.connect(ssid,password)
        while not self.sta_if.isconnected():
            time.sleep_ms(500)

    def connect(self,radio_IP,radio_URL,tcp_port=80):
        self.sock = socket.socket()
        addr = socket.getaddrinfo(radioIP, tcp_port)[0][-1]
        self.sock.connect(addr)
        request = "GET %s HTTP/1.0\r\nHost: %s\r\n\r\n" % (radioURL,radioIP)
        self.sock.send(request)
        return self.sock
    
    def read_data(self,numbytes):
        return sock.recv(numbytes)

Funksjonen read_data returnerer en såkalt socket, som er en “brønn” som vi kan øse data fra. Den kan brukes som en parameter i VS1053-klassens funksjoner for å hente MP3-data i 32-bytes porsjoner og sende til dekoderen med funksjonen write_data. Funksjonen for å oppnå dette ligger i VS1053-klassen og kalles play_stream. Koden ser slik ut:

    def play_stream(self,socket):
        while True:
            soundpacket = socket.recv(32)
            if soundpacket:
                self.write_data(soundpacket)
            else:
                break
        socket.close()

Hva vi nå trenger for å starte nettradioen er en høyttaler koplet til minijack-utgangen på VS1053, og følgende initialiseringskode i RPicoW:

# Initialize the VS1053 module
vs1053 = VS1053(co_spi, vs1053_xcs, vs1053_xdcs, vs1053_dreq, vs1053_reset)
vs1053.init()

# Start netradio
radioIP = "lyd.nrk.no"
radioURL= "/nrk_radio_klassisk_mp3_h?_hdr=0"

nradio = netradio()
nradio.connect_wifi("WiFi-navn","WiFi-passord")
vs1053.play_stream(nradio.connect(radioIP,radioURL))

Avspilling av MP3 fra SD-kort

Dette kretskortet med VS1053 inneholder også en SD kortleser (ikke alle gjør det), og en tilkoplet RPico (trenger ikke være en RPicoW) kan lese og skrive data til et minnekort. Minnekortet blir en del av filsystemet til RPico, og data leses og skrives gjennom ordinære metoder for filbehandling.

Tilkoplingen av en kortleser bruker også SPI-grensesnittet, og er litt mer omstendelig enn WiFi, så denne delen er spart til slutt, da selve dekoderen nå er testet og kjent.

Kortleseren bruker de samme ledningene til SPI-kommunikasjonen, men trenger sitt eget Chip Select signal. Den finner vi på pinnen CS på kretskortet, og koples til pin 2 (GPIO 1) på RPico. Se illustrasjonen under som viser hvordan SPI-ledningene kan deles av flere tilkoplede enheter.

Kanaler på samme SPI-buss må initialiseres hver for seg, men en ny deklarasjon trenger ingen parametre når den bruker det samme bussnummeret. Altså slik:

import sdcard, os
# Initialize the SPI bus for the mp3 decoder and the sd card reader
co_spi = SPI(0, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=spi_sck, \\
     mosi=spi_mosi, miso=spi_miso)
sd_spi = SPI(0)

# Chip select for SD card reader
sd_cs = Pin(1, Pin.OUT, value=1)

# Init SD card reader interface
card = sdcard.SDCard(sd_spi, sd_cs)
os.mount(card, '/sd')
print(os.listdir('/sd')) # Prints the files on the root directory

Modulen sdcard blir importert, dette er koden for å styre lesing og skriving på SD-kortet. Kildekoden kan lastes ned via lenken nedenfor, og må plasseres i filsystemet på RPico, f.eks. på /lib-katalogen.

Koden vist ovenfor gjør at filene på SD-kortet er gjort tilgjengelig fra katalogen /sd. Filer med MP3-innhold kan nå spilles av med en ny funksjon som vi legger til VS1053-klassen. Slik:

def play_file(self, filename):
        # Open the file and read the data
        chunk = 8192
        with open(filename, "rb") as f:
            data = f.read(chunk)

            # Loop through the file and send the data to the VS1053
            while data:
                idx = 0
                while True:
                    if idx+32 > len(data):
                        self.write_data(data[idx:])
                        break
                    else:
                        self.write_data(data[idx:idx+32])
                        idx += 32
                data = f.read(chunk)
    

Koden i funksjonen over kan trenge en forklaring: Her leses MP3-dataene i porsjoner på 8192 bytes, som deles opp i pakker på 32 bytes som sendes til VS1053 med write_data-funksjonen. Lesing av 8192 bytes tar mindre tid enn det å spille av 32 bytes, så det oppstår ikke hakking i lyden, noe som skjer dersom dette tallet settes mye høyere. Avspilling av filen /sd/andrea.mp3 kan nå skje med programsetningen

vs1053.play_file("/sd/andrea.mp3")

Brukergrensesnitt, sier du?

Denne artikkelen har som mål å vise hvilken Python-kode som kreves for å spille MP3-data fra nettet eller fra et SD-kort. Dette kan være til hjelp for dem som kjenner til MicroPython-programmering og kan inkludere disse programsetningene i sin egen kode. Den viste programkoden kan i sin helhet lastes ned herfra:

• mp3codec.py (klassene vs1053 og netradio)
• sdcard.py

(Filene lastes ned med .pyx på slutten av filnavnet. Endre navnet til .py før bruk)

Skal denne koden brukes i egne programmer bør disse funksjonene legges til:

1. Feilhåndtering. Alt som kan gå galt, vil trenge kode som fanger opp og behandler feilsituasjonen.
2. Brukergrensesnitt. Start/stopp/pause i avspilling. Valg av katalog eller spilleliste for serieavspilling. Visning av tittel i et display m.m.

Anders håper at denne artikkelen kan være til nytte, skriv gjerne en kommentar om feil og mulige forbedringer.

 19 total views,  2 views today

Her kommer et videoforedrag om hvordan man kan organisere adresser i et IP-nettverk. Det forutsettes at du har grunnleggende kjennskap til hvordan IP-adresser er bygget opp. Les derfor gjerne dette blogginnlegget først.

 18 total views,  1 views today

Om du kjenner prinsippene for public key kryptografi, har du sikkert hørt om RSA-algoritmen, som er den viktigste metoden for å kryptere med offentlig nøkkel. I dette videoforedraget gir jeg en forklaring på hvordan RSA-algoritmen virker, og gir et bevis på det matematiske grunnlaget for metoden. Jeg viser også hvordan nøkkelen for dekryptering kan utledes, og gir en begrunnelse for hvorfor RSA-algoritmen er vanskelig å knekke. God fornøyelse.

 19 total views,  1 views today

En Raspberry Pi kan erstatte din hjemmeruter, eller komplettere hjemmeruteren med smarte og fleksible tilleggstjenester. Les mer om det her.

Innledning

En ruter er en datamaskin, og en datamaskin er en ruter.

Har du en Raspberry Pi eller en gammel datamaskin som du kan avse til dette formålet, kan du utvikle din egen hjemmeruter med flere funksjoner enn en “standard hjemmeruter”, og med større fleksibilitet for å møte dine behov. Her er noen eksempler:

• Det er behov for å ha tjenermaskiner inne i ditt lokalnett, og du ønsker å anrope dem med internet-navn, ikke med IP-adresser.
• Det er ønske om å bruke IP-protokoll versjon 6 (IPv6)
• Du trenger å bruke Virtuell Private Nett, men ønsker ikke å kople dette opp og ned til stadighet. La ruteren gjøre dette og tilby adgangen til VPN for hele lokalnettet ditt.
• Det er behov for å bruke en Dynamisk DNS-tjeneste, men ruteren støtter ikke den ene du ønsker å benytte deg av.
• Du ønsker å kombinere ruteren med en web-tjener, en mediatjener, filtjener eller andre tjenester som hele lokalnettet skal kunne ha glede av.
• Det er ønske om adgang til lokalnettet fra utsiden av ruteren (Internet), men også ønske om en sterkere beskyttelse mot angrep og hacking.
• Ruteren skal brukes til “smart home” oppgaver.
• Ruteren skal være en telefonsentral for Internet-telefoni

Denne artikkelen skal beskrive tre forskjellige måter å benytte en Raspberry Pi på, enten som fullstendig erstatning for hjemmeruteren, eller som et supplement hvor større eller mindre deler av tjenestene i ruteren beholdes slik de er, men suppleres av Raspberry Pi. Disse tre alternativene er vist som alternativ a-c på Figur 1.

I alternativ (a) har Raspberry Pi helt erstattet hjemmeruteren, og tar hånd om kontakten med Internet-leverandøren og spredningen i lokalnettet med Ethernet og WiFi. Alternativ (b) lar Raspberry Pi besørge kontakten med Internet, mens hjemmeruteren er beholdt for spredning til lokalnettet. I alternativ (c) har hjemmeruteren som tidligere kontakt med Internet og ansvaret for spredning i lokalnettet, mens Raspberry Pi utfører et sett med ektraoppgaver for å gjøre nettet med funksjonelt og fleksibelt.

Figur 2 viser et funksjonsdiagram for en hjemmeruter. Ruteren tilbyr tjenester knyttet til DNS, DHCP, NAT, brannvegg, ruting, vitsjing, og muligens VPN. Alt dette skal erstattes av en Raspberry Pi om alternativ 1 realiseres. Alternativ 2 er vist som den grønne firkanten nede til høyre, hvor ruterens spredefunksjoner for Ethernet og WiFi er beholdt, og ikke besørget at Raspberry Pi.

De neste avsnittene vil drøfte fordeler og ulemper med de ulike alternativene, og gi en del veiledning i hvordan de kan realiseres.

a. Raspberry Pi som selvstendig hjemmeruter

En Raspberry Pi (heretter kalt RPi) har et WiFi-adapter og et Ethernet-adapter innebygget, samt 4 USB-porter. Ethernet-adapteret (kalt eth0) koples til Internet-kontakten. WiFi-adapteret settes opp som et aksesspunkt (AP) som maskiner på lokalnettet kan kople seg til.

Om man i tillegg ønsker Ethernet-kabling i lokalnettet løses dette ved å anskaffe Ethernet-adaptere med USB-plugg. Man kan plugge inn flere slike, eller kople den til en Ethernet-svitsj. Denne artikkelen vil videre vise hvordan et slikt USB-Ethernet-adapter skal konfigureres. Du trenger egentlig ikke kjøpe en egen Ethernet-svitsj, fordi din gamle hjemmeruter kan brukes til dette.

Linux tillater ikke lenger at maskiner tilkoplet henholdsvis WiFi og Ethernet befinner seg i samme IP subnett. Derfor blir det laget to separat subnett for disse. I eksemplene brukes IP-adressene 192.168.3.0/24 og 192.168.4.0/24 for disse to.

Grunnkonfigurasjonen av en RPi blir ikke forklart her. Du kan gjerne laste ned en “lite”-versjon av operativsystemet for å spare plass, fordi du ikke får bruk for et grafisk betjeningssystem allikevel. Likeså blir ikke grunnleggende betjening av RPi forklart, så finn ut hvordan man logger seg inn, restarter osv.

Kommandoer som innledes med #-tegnet krever administrator (sudo) tillatelser. Skriv sudo bash for å oppnå dette. Kommandoer som innledes med $-tegnet krever ikke dette.

Programvare som må installeres

Du installerer en rekke ekstra programmer i RPi for å komme i gang. Dette er programmer som kreves for de ulike oppgavene.

# apt-get update
# apt-get install hostapd openvpn dnsmasq dnsutils lighttpd

For å installere en såkalt pubsub-broker: # apt-get install mosquitto
For å installere en telefonsentral: # apt-get install asterisk
For å installere filtjener: # apt-get install samba
For å installere Dynamic DNS-klient: # apt-get install ddclient

(Under installasjonen av ddclient kreves det noen svar på konfigurasjonsspørsmål, men man kan skrive inn hva som helst her. Siden skal riktige konfigurasjonsfiler skrives).

Sett maskinen til å rute ipv4:

# nano /etc/sysctl.conf

Sett inn linjen net.ipv4.ip_forward=1 (fjern evt. kommentar tegn foran linjen som allerede finnes der). Reboot er nødvendig, men det kan vente til senere.

Fjerne også kommentargnet på linjen net.ipv6.conf.all.forwarding=1 om det er ønske om å tillate bruk av IPv6.

Tildele adresser til adaptrene

Skriv følgende innhold i filen /etc/network/interfaces:

# nano /etc/network/interfaces
auto eth0
iface eth0 inet dhcp
auto eth1
iface eth1 inet static
    address 192.168.3.1/24
auto wlan0
iface wlan0 inet static
    address 192.168.4.1/24

Sett opp WiFi aksesspunkt

Programmet hostapd setter opp WiFi-adapteret som et Aksesspunkt, som andre maskiner kan kople seg til.

# nano /etc/default/hostapd

Endre linjen DAEMON _CONF= til DAEMON_CONF=”/etc/hostapd/hostapd.conf” (husk anførselstegnene)

# nano /etc/hostapd/hostapd.conf

Sett inn dette innholdet:

interface=wlan0
ssid=MinHjemmeruter
country_code=NO
hw_mode=g
channel=7
macaddr_acl=0
auth_algs=1
ignore_broadcast_ssid=0
wpa=2
wpa_passphrase=MittPassord
wpa_key_mgmt=WPA-PSK
wpa_pairwise=CCMP
wpa_group_rekey=86400
ieee80211n=1
wme_enabled=1

(teksten i rødt kan du erstatte med dine egne verdier)

# systemctl unmask hostapd
# systemctl enable hostapd

NB! Hostapd-tjenesten har erfaringsmessig problemer med enkelte WiFi-kretser, inkludert noen som står på RPi-kretskortet. Om det ikke lykkes å få dette til å virke, vurder heller alternativ (b), som overlater WiFi-kontrollen til den eksisterende hjemmeruteren.

Sette opp DHCP- og DNS-tjeneste

Programmet dnsmasq vil sørge for disse tjenestene, og programmet konfigureres ved å redigere filen /etc/dnsmasq/dnsmasq.conf. På eksemplet nedenfor vises at det tilbys IP-adresser til klienter som kopler seg til eth1 og wlan0, siden IP-adressene på disse adaptrene omfattes av de to dhcp-range setningene. Server-ordet brukes for å si hvor dnsmasq skal videresende DNS-spørringer som den ikke kan svare på med opplysningene i /etc/hosts.

# nano /etc/dnsmasq/dnsmasq.conf
server=8.8.8.8
dhcp-range=eth1,192.168.3.100,192.168.3.200,255.255.255.0,24h
dhcp-range=wlan0,192.168.4.100,192.168.4.200,255.255.255.0,24h

Denne konfigurasjonen medfører at klienter som kopler seg til Ethernet får tildelt en adresse i området 192.168.3.100-200, mens WiFi-klienter får tildelt adresser i området 192.168.4.100-200. Alle får tildelt adressen til RPi som default gateway og DNS-tjener. DNS-tjeneren vil hente data fra 8.8.8.8 (Googles DNS-tjener) dersom den ikke finner navneopplysninger i /etc/hosts eller i egen DNS-tjener.

Dnsmasq har mange konfigurasjonsmuligheter for å f.eks. reservere bestemte adresser til tjenermaskiner osv. Dette beskrives i dnsmasq.conf slik:

dhcp-host=11:22:33:44:55:66,192.168.3.25

Merk at i dette tilfellet vil maskinen med denne MAC-adressen kun få den reserverte IP-adressen dersom den er koplet via Ethernet, ikke via WiFi. Ellers vil den få en dynamisk adresse.

Hver gang det er gjort endringer i /etc/dnsmassq.conf eller /etc/hosts må den laste inn konfigurasjonsfilen på nytt. Det gjøres med denne kommandoen:

# service dnsmasq restart

Konfigerere brannvegg og NAT-funksjon

Programmet iptables styrer noen kompliserte filter- og behandlingsfunksjoner i nettverksprogramvaren. Her følger de reglene som gir en fornuftig brannvegg og NAT (Network Address Translation, klikk her for en egen beskrivelse).

Iptables kan konfigureres på flere måter, men vi nøyer oss i denne omgang med å bruke kommandoer som skrives inn i et konsollvindu, eller lagres i et skall-skript. Et eksempel på en fornuftig konfigurasjon av iptables er vist under, under den forutsetning at adaptrene eth1 og wlan0 er koplet til lokalnettet som skal beskyttes mot angrep fra Internet via eth0. Denne listen av kommandoer legges inn i filen /etc/rc.local slik at kommandoene utføres når maskinen starter opp.

iptables -F
iptables -P INPUT DROP
iptables -A INPUT -i lo -j ACCEPT
iptables -A INPUT -i eth1 -j ACCEPT
iptables -A INPUT -i wlan0 -j ACCEPT
iptables -A INPUT -i eth0 -p udp --dport 1194 -j ACCEPT
iptables -A INPUT -i eth0 -m conntrack --ctstate ESTABLISHED,RELATED 
		-j ACCEPT (på samme linje som over)
iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE


Port forwarding:

iptables -A PREROUTING -t nat -i eth0 -p tcp --dport 80 
                 -j DNAT --to 10.10.3.10:8080 (på samme linje som over)
iptables -A FORWARD -p tcp -d 10.10.3.10 --dport 8080 -j ACCEPT

Linjen merket i rødt er eksempel på regler som slipper inn helt spesifikk trafikk. I dette tilfellet slipper UDP-segmenter til port 1194 inn til RPi, som er endepunktet for OpenVPN-tjenesten.

I andre sammenhenger ønsker man å gjøre tilgjengelig tjenester på maskiner inne i lokalnettet, noe som løses med såkalt port forwarding. Metoden går ut på at UDP- eller TCP-trafikk med en bestemt mottakerport sendes videre til en spesifikk adresse på lokalnettet. IP-adressene endres fra ruterens eth0-adresse til den lokale tjenestens adresse, og portnummret kan endres om ønskelig. Eksemplet nedenfor viser en port forwarding regel som sender innkommende TCP-pakker med mottakerport 80 videre til adressen 10.10.3.10 og port 8080. En tjeneste på dette endepunktet vil dermed bli gjort tilgjengelig for omverdenen på adressen til eth0-adapteret og port 80. Slike port forwarding-regler legges sammen med de øvrige brannvegg-reglene vist ovenfor i filen /etc/rc.local.

iptables -A PREROUTING -t nat -i eth0 -p tcp --dport 80 (linjen fortsetter)
         -j DNAT --to  10.10.3.10:8080
iptables -A FORWARD -p tcp -d 10.10.3.10 --dport 8080 -j ACCEPT

Tjenester til omverdenen – Dynamisk DNS

Tjenester i lokalnettet kan gjøres tilgjengelig for omverdenen ved hjelp av port forwarding. Da vil du trenge å knytte IP-adressen på eth0-adapteret til et DNS-navn (Internet-navn) slik at andre kan finne frem til tjenesten din. Dette fordrer at du kjøper (eller får gratis) en DNS-tjeneste fra et web-hotell eller lignende. Man kan reservere egne DNS-domener eller registrere seg i et eksisterende, men dette ligger utenfor temaet for denne artikkelen.

Eth0-adapteret får en dynamisk IP-adresse fra Internet-leverandøren som skiftes regelmessig, og det skaper problemer for slik DNS-registrering. Det trengs derfor en mekanisme som oppdaterer DNS-databasen i web-hotellet hver gang eth0 får en endret IP-adresse. Dette besørges av et program som kalles ddclient og som innledningsvis ble installert på RPi.

Programmet ddclient overvåker IP-adressen på eth0 og gir beskjed om endringer til en leverandør av Dynamic DNS, heretter kalt DDNS. Det er flere slike DDNS-leverandører, og noen få tilbyr en enkel gratistjeneste, mens en “premium” tjeneste koster litt penger. I dette eksemplet blir det vist konfigurasjon mot tjenesten noip.com.

# nano /etc/ddclient.conf
- Filen skal ha slikt innhold:
use=web
ssl=yes
protocol=noip
login=<noip brukernavn>
password=<noip password>
<valgt DNS-navn>

# nano /etc/default/ddclient
- Filen skal ha slikt innhold:
run_dhclient=”false”
run_ipup=”false”
run_daemon=”true”
daemon _interval=”300”

- Sett opp ddclient som en kjørende tjeneste i RPi på denne måten:
# sudo service ddclient start

- Jeg er usikker på om denne "pollingen" har en betydning. Man må uansett
  bekrefte adressen manuelt minst månedlig.
# nano /etc/cron.weekly/ddclient
- Filen skal ha dette innholdet
#!/bin/sh
/usr/sbin/ddclient -force

- Sett så filen “executable” med kommandoen
# chmod +x /etc/cron.weekly.ddclient

Konfigurasjon av OpenVPN

Virtual Private Networks (VPN) kan tilby beskyttede koplinger mellom private nettverk, slik at man f.eks. kan bruke arbeidsplassens IT-ressurser hjemmefra eller på reise, at et felles laboratorium kan utnyttes av mange firmaer i fellesskap uten å gi adgang inn i hverandres nettverk. Ikke minst åpner også VPN en mulighet for å nå inn til alle adresser i det lokale nettet fra en hvilken som helst posisjon i Internet slik at de tjenestene som etableres i lokalnettet kan benyttes på reise o.l.

Det finnes flere produkter som kan tilby slike VPN-tjenester, men her vil OpenVPN brukes, fordi det er enklere å konfigurere enn StrongSwan/IPSec. OpenVPN ble installert innledningsvis og noen eksempler på konfigurasjon er omtalt i en annen post.

b. Raspberry Pi som ruter, men uten WiFi

Alternativ (a) slik som beskrevet over gir god kontroll over rutingen, bruk av VPN, egne DNS-navn og diverse tilleggstjenester. Men den har noen ulemper som er nødvendig å leve med:

• Linux-kjernen er ikke villig til a svitsje mellom WiFi og Ethernet, så tilkoplede klienter vil tilhøre to IP-subnett. Det betyr at trafikk som ikke kan rutes mellom subnettene (f.eks. uPnP og SSDP) vil hindre noen ellers nyttige tjenester.
• Det er erfaringsmessig en del bugs knyttet til Hostapd-programvaren som skal sette opp WiFi-adapteret i AP-modus.
• WiFi-adapteret på Raspberry Pi har liten utgangseffekt og ingen utvendig antenne, så det kan ikke påregnes å ha den samme rekkevidden og overføringskapasitet som en egen hjemmeruter.

Om disse ulempene gjør alternativ (a) uakseptabelt kan alternativ (b) brukes, slik det er vist i Figur 1. Her legges ruterfunksjonene til RPi og lokalnettfunksjonene til hjemmeruteren. Ruterfunksjonen i hjemmeruteren benyttes ikke, og RPi’s eth1-adapter koples til en LAN-port på ruteren. DHCP-tjenesten på hjemmeruteren kan ikke kombineres med DHCP-tjenesten i Dnsmasq (på RPi) så én av dem må skrus av. Anbefalingen er å skru av DHCP-tjenesten i hjemmeruteren.

Fordelen med denne konfigurasjonen vil være at alle klienter på lokalnettet (tilkoplet via Ethernet eller WiFi) vil være på samme subnett og kan få DHCP-adresser fra samme adresseområde. Konfigurasjonen av Dnsmasq blir noe forenklet, og all konfigurasjon av WiFi-adapteret på RPi kan sløyfes, inkludert oppsettet av Hostapd. VPN-, NAT- og brannvegg-konfigurasjonen på RPi blir den samme som før.

Alternativ (b) gir den samme fleksibilitet i ruting- og sikkerhetsfunksjonene, og overlater lokalnett-funksjonene til en enhet med flere ethernet-porter og bedre rekkevidde for WiFi-signalet.

c. Rapsberry Pi med ekstra ruterfunksjoner

Alternativ (b) dekker det samme som alternativ (a), men med et mulig gjenstående problem knyttet til ytelse. En Raspberry Pi har begrenset overføringskapasitet, og en mulig forbedring vil være å la hjemmeruteren besørge ruting- brannvegg- og NAT-funksjonene i tillegg til lokalnettfunksjonene slik som i alternativ (b), mens RPi besørger de ønskede ekstratjenestene, som DNS, VPN, web-tjener, filtjener osv.

Alternativ (c) er vist på Figur 1 hvor hjemmeruteren står koplet på sin vanlige plass, og en RPi er tilkoplet på lokalnettsiden. Dette er endringer som må gjøres i konfigurasjonsn av hjemmeruteren:

• DHCP må skrus av
• DNS vil ikke være i bruk, og kan skrus av om mulig
• VPN-trafikk må slippes inn til RPi. Det kreves derfor an port forwaring regel for UDP-trafikk på port 1194
• Applikasjonstjenester som skal være tilgjengelig fra Internet (utenom en VPN-tunnel) må gis en port forwarding-regel.

RPi får nå den viktige oppgaven med å besørge en DHCP-tjeneste. DHCP-tjenesten forsyner lokale maskiner med IP-adresse/nettmaske, IP-adressen til DNS-tjenesten og evt. ekstra rutinginformasjon.

RPi skal gjennom DHCP-tjenesten sørge for at “vanlig” internet-trafikk (web-surfing, meldingsformidling m.m.) rutes til hjemmeruterens adressse (gjennom opplysninger om default gateway) og dermed ikke bidrar til noen flaskehals i RPi. Trafikk til adresser som inngår i VPN-tunneler blir derimot rutet til RPi, som vedlikeholder alle endepunkter for tunnelene. DNS-tjenesten i RPi (med Dnsmasq) skal lagre internet-navn (dns-navn) med IP-adresser for alle lokale tjenester, samt endepunkter som når gjenom VPN. Forespørsler om andre adresser vidersendes til hjemmeruteren. RPi må også besørge oppdatering av en DDNS-tjeneste når ruterens ytre adresse endres.

Med en slik konfigurasjon vil RPi begrense seg til DHCP-, DDNS- og DNS-tjeneste samt besørge trafikk gjennom VPN-tunnelene. Annen trafikk, samt oppgaver knyttet til NAT-funksjon og brannvegg (som er potensielt ganske krevende) vil betjenes av hjemmeruteren. Konfigurasjonen av RPi vil derfor begrense seg til å konfigurere Dnsmasq for DHCP- og DNS-trafikk, ikke helt ulikt alternativ (a), men med disse forskjellene i dnsmasq.conf:

• Default gateway skal ikke være DHCP-tjenestens IP-adresse, men hjemmeruterens. Dette må angis eksplisitt med dhcp-option=3,192.168.4.1 (hjemmeruterens lokaladresse)
• Dersom alle VPN-tunnelene kan samlet i et fåtall subnett, kan disse adressene rutes til RPi (som i dette eksemplet har IP-adresse 192.168.4.2). Lokale maskiner må derfor ha rutinginformasjon for å rute disse subnettene dit. I dnsmasq.conf uttrykkes dette slik: dhcp-option=121,10.10.0.0/16,192.168.4.2 (10.10.0.0/16 er eksempel på VPN-subnett).
• DHCP-tjenesten trenger nå kun én dhcp-range, siden lokalnettet kun er ett subnett.

Alternativ (c) krever noe mer vedlikehold knyttet til endringer i VPN-konfigurasjonene, idet det kan kreve at ny rutinginformasjon blir utdelt. Alternativ (c) er mindre fleksibelt siden f.eks. brannvegg- og NAT-funksjonene ikke kan konfigureres så fritt som om de besørges av iptables i RPi. Om IP versjon 6 er nødvendig å ta hensyn til, så kan også hjemmeruteren representere en begrensning, siden slike produkter i varierende grad kan behandle IPv6-trafikk.

Oppsummering

Denne artikkelen har forklart hvordan du på ulike måter kan konfigurere en RPi for å videreutvikle hjemmenettverket med flere og bedre tjenester. Tre alternativer er presentert med sine fordeler og ulemper. I tillegg til et forbedret og videreutviklet hjemmenett vil du oppnå mye ferdigheter i bruk av Linux, feilsøking i nettverk og forståelse av prinsippene bak IP-protokollen.

Ekstralesning:

• Om Network Address Translation
• Om konfigurering av OpenVPN
• Om IP versjon 6 på hjemmenettet