라즈베리파이를 이용한 무선 메쉬 네트워크(wireless mesh network) 구성

OS: Raspbian Jessie (2015.09.24)

HW: Raspberry Pi 2 Model B

WLAN: TL-WN722N (ath9k_htc)

무선 메쉬 네트워크(wireless mesh network)는 우리나라에서는 일상 영역에서는 잘 쓰이지 않지만(그냥 AP 하나가 유선망에 직접 연결되어 무선 인터넷을 제공하는 경우가 많고, 이것은 메쉬 네트워크라고 하기에는 너무 제한적), 미국을 비롯한 넓은 지역에 인터넷 액세스를 제공하기 위한 저렴하고 유연한 방법으로 많이 쓰이고 있으며, 연구나 특수한 목적을 달성하기 위해서도 자주 쓰인다.

나도 연구 차원에서 메쉬 네트워크 실험 환경을 구축해야 될 필요성에 따라 라즈베리파이를 메쉬 라우터(mesh router)로 활용하는 형태로 구성해 보았고, 성공적으로 연결이 되는 설정을 기록하고자 한다. 다만 말 그대로 연결만 가능한 상태이기 때문에, 이 상태에서 앞으로 성능을 개선하기 위해 여러가지 설정 변경을 해야 할 것이다. (테스트 결과, 인터넷 속도는 100KB/s가 채 되지 않는 듯 하다. ㅜㅜ)

라즈베리파이 3개가 각각 AP 역할을 수행할 뿐만 아니라 서로 또다른 무선 네트워크를 통해 연결됨으로써, 하나의 AP에 연결된 모바일 기기가 다른 AP에 연결된 모바일 기기에 직접 연결(direct communication)하도록 하는 것이 목표이다. 즉, 인터넷 연결 없이 AP들끼리 패킷을 전달한다. 이를 위해, 각 라즈베리파이는 최소 2개의 무선랜 인터페이스(무선랜카드) 필요로 한다. 하나는 모바일 기기들을 연결하기 위한 것이고, 다른 하나는 메쉬 라우터들끼리 연결하기 위한 것이다. 여기서 무선랜 인터페이스 개수가 더 늘어나면, 여유 자원으로 성능을 개선하는 데 활용할 수 있다.

(무선 메쉬 네트워크 구성)

<준비물>

• Raspbian이 설치된 라즈베리파이 2~3개
• 5V/2A 이상의 전원 어댑터 (USB 무선랜카드를 2개 쓰기 때문에 전력이 안정적으로 공급되어야 한다. 경험상 5V/2A 중에서도 품질이 나쁘면 전력이 잘 공급되지 않아서 계속 재부팅되는 문제가 있었다.)
• USB 무선랜카드: 라즈베리파이 각각에 2개씩 연결해야 하므로 라즈베리파이 개수의 2배만큼 필요
• 유선 공유기(인터넷 연결과 라즈베리파이 설정을 쉽게 하기 위해서 필요)
• 랜선(유선 공유기와 라즈베리파이 간 연결)

1. 라즈베리파이 초기 설정

향후 안정적인 사용을 위해 Locale, time, keyboard layout, SD카드 전체 용량 활용을 위한 resize 설정 등을 해 둔다.

$ sudo raspi-config

자세한 설정 방법은 산딸기마을 이장 나무꾼님의 글(http://www.rasplay.org/?p=3786)을 참고할 것.

2. 필요한 패키지 설치

2-1. 라즈베리파이의 기본 네트워크 설정 서비스 삭제

$ sudo apt-get purge raspberrypi-net-mods ifplugd

 - 이유: /etc/network/interfaces 파일을 이용한 설정이 제대로 작동하기 위해서 다른 설정 도구를 지워야 한다.

 - 이 부분은 사용자마다 네트워크 설정에 사용하는 방법이 조금씩 달라서(리눅스 배포판에 따라서도 다르다) 본의 아니게 특정한 방법을 강요하는 것이 될 수도 있다. 하지만 필자는 네트워크 설정시 GUI를 이용하는 것을 싫어하기 때문에(그냥 AP에 연결할 때를 제외한 ad-hoc network 등의 다양한 설정을 하다 보면 원하는 대로 작동하지 않는 경우가 많다. 특히 우분투에 내장된 NetworkManager가 악명이 높다.) 전통적인 방법인 /etc/network/interfaces 파일을 핵심으로 하는 설정을 사용한다.

2-2. 필요한 패키지 설치: hostpd, isc-dhcp-server, quagga

$ sudo apt-get update

$ sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server quagga

 - hostapd: 리눅스를 액세스포인트(AP)로 작동하도록 해 주는 서비스

 - isc-dhcp-server: AP에 연결되는 클라이언트에게 IP주소를 발급하기 위한 DHCP 서버 서비스

 - quagga: 라즈베리파이와 클라이언트들이 서로 통신할 수 있도록 경로를 설정하는 라우팅 패키지(quagga에 여러 라우팅 프로토콜이 내장되어 있는데, 그 중에서 RIP를 쓰고자 한다.)

 - 이 패키지들 설치를 위해서 라즈베리파이가 인터넷에 연결되어 있어야 한다.

3. 네트워크 설정

3-1. /etc/network/interfaces

auto lo

iface lo inet loopback

auto eth0

iface eth0 inet dhcp

# AP로 사용할 무선랜카드 설정

# 1번 노드 address: 10.0.1.1, 2번 노드: 10.0.2.1, 3번 노드: 10.0.3.1

auto wlan0

iface wlan0 inet static

  address 10.0.1.1

  netmask 255.255.255.0

hostapd /etc/hostapd/hostapd.conf # DHCP 서버 실행을 위해서 필요하다.

# 라즈베리파이들이 서로 통신하기 위한 애드혹 네트워크 설정

# 1번 노드 address: 192.168.3.1, 2번 노드: 192.168.3.2, 3번 노드: 192.168.3.3

# 주소 대역은 필자의 경우 192.168.3.X로 했지만, 다른 대역을 써도 된다.

# 다만, 192.168.0.X는 기존 공유기에서 워낙 많이 쓰기 때문에 오류 방지를 위해 안 쓰는 것이 좋다.
# wireless-essid, wireless-channel 값은 3개 모두 똑같아야 한다.

auto wlan1

iface wlan1 inet static

  address 192.168.3.1

  netmask 255.255.255.0

  wireless-channel 11

  wireless-essid RpiAdhoc

  wireless-mode ad-hoc

3-2. /etc/hostapd/hostapd.conf

 여기서 지정하는 interface 항목은 3-1에서 AP로 사용하려는 인터페이스 이름과 일치해야 한다.

interface=wlan0

driver=nl80211

# 1번 노드: RpiAP1, 2번 노드: RpiAP2, 3번 노드: RpiAP3 

ssid=RpiAP1

# 무선랜 작동 모드, 802.11n도 일단 g로 표기해야 한다.

hw_mode=g

# 802.11n 모드를 켜려면 아래 4줄을 추가한다. 이것은 무선랜카드 특성에 따라서 될 수도, 안될 수도 있다.

# 일단 위의 hw_mode=g 만 먼저 입력해서 되는지 확인한 다음에 아래 옵션을 추가하도록 하자.

ieee80211n=1

wmm_enabled=1

ieee80211d=1

country_code=US

# 1~11 중에서 지정할 수 있다. 가급적 1,6,11 중 하나를 고른다.

# 애드혹 네트워크에서 쓰는 채널과 다르게 지정하는 것이 좋다.

channel=6

macaddr_acl=0

auth_algs=1

ignore_broadcast_ssid=0

3-3. /etc/dhcp/dhcpd.conf

이 파일은 이미 존재해야 정상적인 상황이다.

이미 존재하는 파일을 열고, option domain-name-servers, default-lease-time, max-lease-time, authoritative 항목의 주석을 해제하고 원하는 도메인 네임 서버 주소와 DHCP주소 할당 시간을 입력한다.

option domain-name-servers 8.8.8.8; # 그외 원하는 DNS 서버 주소 사용 가능

default-lease-time 600;

max-lease-time 7200;

authoritative;

그리고 맨 아래에 아래 내용을 추가한다. 아래와 같이 설정하고 클라이언트가 1번 노드에 연결할 경우, 클라이언트는 DHCP를 통해서 10.0.1.10부터 10.0.1.250 사이의 주소를 발급받게 되고, 보통은 10부터 순서대로 발급받게 된다.

1번 노드의 경우:

subnet 10.0.1.0 netmask 255.255.255.0 {

range 10.0.1.10 10.0.1.250;

option routers 10.0.1.1;

}

2번 노드의 경우:

subnet 10.0.2.0 netmask 255.255.255.0 {

range 10.0.2.10 10.0.2.250;

option routers 10.0.2.1;

}

3번 노드의 경우:

subnet 10.0.3.0 netmask 255.255.255.0 {

range 10.0.3.10 10.0.3.250;

option routers 10.0.3.1;

}

3-4. /etc/quagga/*

zebra.conf (없으면 새로 만든다.)

hostname Router

password zebra

enable password zebra

debug zebra events

debug zebra packet

ip forwarding

log file /var/log/quagga/zebra.log

ripd.conf (없으면 새로 만든다.)

참고로 quagga 설정파일은 주석을 사용하는 문법이 다르기 때문에(!로 시작하는 라인만 주석처리), 아래의 파란색 글씨(<-- 이후)는 쓰지 말 것.

hostname ripd

password zebra

debug rip events

debug rip packet

router rip

 version 2

 network 10.0.1.0/24  <-- 1번노드의 경우임. 2번은 10.0.2.0/24, 3번은 10.0.3.0/24

 network 192.168.3.0/24  <-- 라즈베리파이들의 애드혹 네트워크

 network 192.168.1.0/24  <-- 라즈베리파이의 유선(eth) IP주소 대역. 인터넷 연결을 위해 필요

log file /var/log/quagga/ripd.log

위 설정에서 192.168.1.X는 필자의 유선공유기 IP주소에 해당한다. 각자의 공유기에서 할당받는 IP주소(즉, 라즈베리파이의 eth0 인터페이스가갖는 주소) 대역에 맞게 수정해야 한다.

그리고 진정한 메쉬 네트워크의 작동을 보고 싶으면, 1번 노드를 제외한 나머지 2개의 라즈베리파이에서는 마지막 eth0의 IP주소 대역을 삭제한다. 그러면 인터넷은 1번 노드에서만 연결되고, 나머지 노드들은 1번이 제공하는 인터넷을 자신의 클라이언트들에게 제공할 것이다. 물론 속도는 더 느려진다. (애초에 메쉬 네트워크의 목적 중 하나가 더 넓은 Internet coverage니까)

3-5. 설정 적용을 위한 서비스 재시작(또는 재부팅)

$ sudo /etc/init.d/networking restart

$ sudo /etc/init.d/hostapd restart

$ sudo /etc/init.d/isc-dhcp-server restart

$ sudo /etc/init.d/quagga restart

또는 그냥 라즈베리파이를 아예 재부팅한다. 여기까지 하면, 라즈베리파이는 유선랜을 통해서 인터넷이 되지만 새로 만든 AP를 통해서 연결하는 클라이언트들은 서로 접속은 되지만 인터넷은 안되는 상태가 된다. 인터넷 연결 설정 방법은 5단원을 참고할 것.

4. 테스트

4-1. 클라이언트(스마트폰, 노트북 등) 연결

  3-5까지 설정을 마치고 나서 스마트폰에서 와이파이 검색을 하면, RpiAP1, RpiAP2, RpiAP3이 보일 것이다.

메쉬 네트워크가 제대로 설정되었는지 확인하기 위해서는 2대 이상의 클라이언트 기기로 서로 다른 AP에 연결해야 한다.

4-2. Ping

  한쪽 클라이언트에서 다른 AP에 연결된 다른 클라이언트의 IP주소로 Ping을 날려서 되는지 확인한다.

예를 들어, RpiAP1에 연결된 클라이언트(10.0.1.10)에서 아래와 같은 기기들에게 ping을 날려서 정상적으로 되어야 한다.

• RpiAP2 (10.0.2.1)
• RpiAP3 (10.0.3.1)
• RpiAP2에 연결된 클라이언트(10.0.2.10 ~ 10.0.2.250 중에 할당받은 주소)
• RpiAP3에 연결된 클라이언트(10.0.3.10 ~ 10.0.3.250 중에 할당받은 주소)

스마트폰에서는 terminal emulator 같은 콘솔 앱을 가지고 테스트할 수 있다. RIP가 라우팅 정보를 교환하는 데 조금 시간이 걸릴 수도 있으므로 클라이언트를 바꿔 가며 여러 차례 ping을 날려 본다.

5. 인터넷 연결 설정

5-1. /etc/sysctl.conf 

설정 파일에서 net.ipv4.ip_forward=1 라고 적힌 라인의 주석 해제(앞에 있는 # 제거)

net.ipv4.ip_forward=1

 (AP로 쓰지 않는 일반 리눅스는 보안상 포워딩이 기본적으로 금지되어 있어서 직접 해제해야 한다.)

그리고 서비스 재시작: 

$ sudo sysctl -p /etc/sysctl.conf

5-2. iptables 설정

1번 노드의 경우:

$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.1.0/24 ! -d 10.0.1.0/24  -j MASQUERADE

2번 노드의 경우:

$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.2.0/24 ! -d 10.0.2.0/24  -j MASQUERADE

3번 노드의 경우:

$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.3.0/24 ! -d 10.0.3.0/24  -j MASQUERADE

참고로 iptables 설정은 재부팅하면 사라지므로, 부팅할 때마다 자동 실행되도록 설정해 두면 좋다. Raspbian 같은 데비안 계열은 /etc/rc.local 파일의 맨 끝에 exit 0 바로 위에 원하는 스크립트를 추가하면 된다.

*기타 Troubleshooting

 - ripd가 정상 실행되지 않는 경우: /var/log/ 디렉토리 밑에 quagga 디렉토리가 없으면 만들어 주고, owner:group을 quagga:quagga로 지정한다. sudo chown 명령어를 사용한다.

 - 라즈베리파이가 자꾸 저절로 재부팅되는 경우: 전력 부족일 경우가 많다. 위에서도 언급했듯이, 무선랜카드 2개를 쓰기 때문에 전력 소모가 좀더 많아지므로 전원 어댑터를 2A 이상으로 쓸 것. (5V/2A)