FreeBSD 13.1 Bluetooth Serial Port(SPP client) + Expressif ESP32 MCU(SPP Server): Remote Power Switch and Text Message

    本篇文章介紹使用FreeBSD藍芽的Serial Port(SPP)與Expressif ESP32微控制器(MCU)製作藍芽電源遙控開關，並與Android Phone互傳訊息。

    FreeBSD系統、ESP32 MCU與Android phone三個藍芽設備構成bluetooth piconet，ESP32 MCU當成Master, FreeBSD與Android phone當成slave。

有關ESP32 MCU當成SPP server的製作過程請參閱下列文章說明：https://rfwumcu.blogspot.com/2022/04/esp-idf-using-esp-idf-classic-bt-spp.html

本篇文章著重在FreeBSD藍芽Serial Port(SPP Client)設定方法。

1. 查看FreeBSD上的藍芽設備名稱：
   
   
   
   
2. 啟用藍芽ubt0:
   

   

   
   
3. 檢查藍芽配對服務(hcsecd)是否啟用:
   

   

   
   
4. 配對藍芽：
   

   

   此指令會自動更改/etc/bluetooth/hosts與/etc/bluetooth/hcsecd.conf檔案，自動加入設定內容。
   
   
5. 檢查遠端藍芽設備是否開啟SPP服務：
   

   

   
   
6. 連線遠端Bluetooth SPP Server:
   

   

   rfcomm_sppd開啟的serial port pseudo-terminal 為/dev/pts/2
   
   
7. 由pseudo-Terminal收送訊息：
   送出訊息
   

   

   
   接收訊息
   

   

   
   
   

👉成果影片展示：

FreeBSD 13.1 透過手機連線網際網路（FreeBSD 13.1 Internet Access via Cell Phone)

  當處在沒為可上網的區域網路時，可利用手機透過電信網路連線網際網路。 本篇文章實做以FreeBSD 13.1 利用手機的USB網路共用(USB Tethering)、藍芽網路共用(Bluetooth Tethering)、與Wi-Fi熱點(Wi-Fi hot spot) 接取網際網路。

一、USB網路共用(USB Tethering):

1. 使用Android手機時載入if_urndis:
   # kldload if_urndis
   
   
2. 使用iPhone手機時載入if_ipheth:
   # lkdload if_ipheth
   
   
3. 手機開啟USB網路共用
   
   
   
   
   
4. FreeBSD就會新增一個ue0的網路介面
   
   
   
   
5. 利用dhclient取得ip等網路設定
   # dhclient ue0
   
   

詳細步驟可參閱底下影片介紹

二、藍芽網路共用(Bluetooth Tethering):

1. FreeBDS藍芽是架構在netgraph下，以指令dmesg查看是否有支援的驅動程式：
   # dmesg | grep ubt
   
   
   
   
2. 啟用藍芽：
   # service bluetooth start ubt0
   若出現錯誤，再啟用一次即可。
   
   
3. 有關Bluetooth device 設定檔存放在
   /etc/defaults/bluetooth.device.conf
   個別的device要覆寫default設定，更改檔案建立在/etc/bluetooth/<device_name>.conf中，例如/etc/bluetooth/ubt0.conf。像是需不需要配對驗證，可不可以被查詢名稱(inquiry, discoverable等)。
   
   
   
4. 執行hcsecd或在/etc/rc.conf中設置hcsecd_enable="YES"，負責藍芽配對，相對設定檔存在/etc/bluetooth/hcsecd.conf。
   
   
5. 以bluetooth-config scan 掃描可連線的藍芽設備，此指令可配對藍芽外並將修改/etc/bluetooth/hosts與/etc/bluetooth/hcsecd.conf檔案。
   /etc/bluetooth/hosts存放bluetooth address與自訂名稱對應。
   /etc/bluetooth/hcsecd.conf存放配對PIN資料。
   
   
   
   
   
6. 查看手機的藍芽是否支援NAP(Network Access Point) Service class:
   指令為sdpcontrol -a device browser or  sdpcontrol -a device search 0x1116
   0x1116為bluetooth NAP service class UUID
   # sdpcontrol -a iPhone search 0x1116
   
   

   
   
   
7. 手機開啟藍芽網路共用：
   

   

   
   
   
8. 使用btpand指令連線藍芽：
   # btpand -d device -a address -s NAP -i tap0
   

   

   
   
9. 取得ip等相關網路設定
   # dhclient tap0
   
   

三、Wi-Fi熱點(Wi-Fi hotspot):

1. 手機開啟Wi-Fi hotspot，設定ssid, password
2. FreeBSD 啟用Wi-Fi。
3. 在/etc/wpa_supplicant.conf設定連線ssid與psk:
   

   

   
   
   
   

詳細設定過程請參閱下列影片連結：

在Raspberry Pi 3B+安裝FreeBSD 13.1 並實作WiFi Client/Access Point/Wireless Router等功能

     本實驗在Raspberry Pi 3B+硬體上安裝FreeeBSD 13.1系統，用來實現並測試當作WiFi Client 、 Access Point(AP)與Wireless Router的功能，三種模式如下圖所示:

因為FreeBSD尚未支援Raspberry Pi內建無線網卡的Driver，所以本次實驗以外加一片usb網卡(TP-Link TL-WN725N)來測試。

👉安裝FreeBSD 13.1系統在Raspberry Pi 3B+上

從FreeBSD官網下載image檔案:FreeBSD-13.1-RELEASE-arm64-aarch64-RPI.img.xz

下載Raspberry Pi Imager(https://downloads.raspberrypi.org/imager/imager_latest.exe)燒錄FreeBSD image到SD(註1)上，過程可參閱文末成果影片連結。

FreeBSD使用Raspberry Pi硬體，螢幕輸出的介面有兩種: primary為TTL Serial, Secondary 為Vodeo(HDMI介面)，本實驗使用USB-UART介面接到筆電的USB上，開啟PuTTY Serial Port，如下圖，Raspberry Pi pinout可參閱https://pinout.xyz/。[RPI: Gnd(6), TX(8), RX(10)]

• 系統root內定的password為root

本實驗使用的TP-Link TL-WN725N在FreeBSD下的driver 為rtwn，使用指令dmesg查閱，如下圖所示:

但使用內定參數實測後，網路存取速度異常慢，調整設定，載入kdlload wlan_amrr模組或設定dev.rtwn.0.ratectl=0，即可獲得良好的網路存取速度，可在/boot/loader.conf設定如下:

dev.rtwn.0.ratectl=0

wlan_amrr_load="YES"

👉設定成為WiFi Client使用:

• 在/etc/rc.conf設定

wlans_rtwn0="wlan0"

ifconfig_wlan0="WPA SYNCDHCP"

create_args_wlan0="country TW"

• 增設/etc/wpa_supplicant.conf檔案，內容填入

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant

ctrl_interface_group=wheel

network={

        ssid="your ssid"

scan_ssid=1

key_mgmt=WPA-PSK

psk="your passwd"

}

更改正確的ssid與psk

重新啟用系統後即可連至WiFi網路

👉設定成為Access Point(Bridge)使用:

Raspberry Pi wifi介面改成hostap mode，再將有線網路介面ue0與無線網路介面wlan0，加入到bridge members中。如上圖，終端無線設備(手機、筆電等)連到 Raspberry Pi AP後，即可將無線網路橋接到ISP Router連到Internet。終端無線設備屬於同一個網段，本實驗的例子為192.168.1.0/24。

• 在/etc/rc.conf設定如下

#WLAN hostap mode

wlans_rtwn0="wlan0"

create_args_wlan0="wlanmode hostap -apbridge country TW"

hostapd_enable="YES"

# create a bridge

cloned_interfaces="bridge0"

ifconfig_bridge0="inet 192.168.1.61/24 addm ue0 addm wlan0 up"

ifconfig_ue0="up"

ifconfig_wlan0="up"

#enable geteway(net.inet.ip.forwarding)

gateway_enable="YES"

• 在/etc/hostapd.conf下設定如下

interface=wlan0

debug=1

ctrl_interface=/var/run/hostapd

ctrl_interface_group=wheel

ssid=myAP_SSID                       #==>改成你的SSID

wpa=2

wpa_passphrase=PassW0rd      #==>改成你的passphrase

wpa_key_mgmt=WPA-PSK

wpa_pairwise=CCMP

重新啟用系統Raspberry Pi即成為無線網路的Access Point。

但在系統重新啟動後，並無法正常使用，bridge0並未將ue0與wlan0加入bridge0的members中。

以dmesg查看driver啟用順序，發現bridge0先啟用後，ue0與wlan0再啟用，推測因此bridge0才無法把加入ue0與wlan0正確加入到bridge0的members中。

以netstat -r 查看 route table並未正確產生

因此把bridge0建立時間延後到啟用local daemon時，再來create bridge並加入ue0與wlan0到members中，步驟如下:

1. 取消/etc/rc.conf中的下面兩行
   
   cloned_interfaces="bridge0"
   ifconfig_bridge0="inet 192.168.1.61/24 addm ue0 addm wlan0 up"
2. 在/etc/rc.local加入
   #!/bin/sh
   br=`ifconfig bridge create`
   ifconfig $br addm ue0 addm wlan0
   dhclient $br

修改後重啟系統即可正常使用AP功能了。

👉設定成為Wireless Router使用:

設定為router模式時，WiFi與有線LAN分別屬於不同網段，因此Raspberry Pi須具備路由器功能。如上圖所示，有線的LAN連接ISP Router為192.168.1.0/24，無線網路為10.10.200.0/24，Raspberry Pi Router無線網路介面設定IP為10.10.200.1。所以Raspberry Pi上需增加NAT(Firewall)、DHCP server與DNS server等功能(DNS server為選項)。

設定步驟如下:

➤DHCP Server使用isc-dhcp時:

執行指令

pkg install -y isc-dhcp44-server

加入hdcp server功能，啟用方式

1. 在/etc/rc.conf中加入
   dhcpd_enable="YES"
   dhcpd_flags="-q"
   dhcpd_conf="/usr/local/etc/dhcpd.conf"
   dhcpd_ifaces="wlan0"
   dhcpd_withumask="022"
2. 在/usr/local/etc/dhcpd.conf中加入
   option domain-name "mytest.org";
   default-lease-time 60;
   max-lease-time 72;
   # A slightly different configuration for an internal subnet.
    subnet 10.10.200.0 netmask 255.255.255.0 {
           range 10.10.200.10 10.10.200.20;
           option domain-name-servers 192.168.1.1;
           option routers 10.10.200.1;
           default-lease-time 600;
           max-lease-time 7200;
   }

➤DHCP Server使用dnsmasq時:

執行指令

pkg install -y dnsmasq

後

1. 在/etc/rc.conf中加入
   dnsmasq_enable="YES"
2. 在/usr/local/etc/dnsmasq.conf中加入
   interface=wlan0
   dhcp-range=10.10.200.90,10.10.200.100,255.255.255.0,24h
   
   

➤啟用Firewall(NAT)與hostap等功能:

本實驗使用IPFW與IN-Kernel NAT

• 在/etc/rc.conf設定如下(使用dnsmasq)

ifconfig_ue0="DHCP"

#WLAN WiFi hostap

wlans_rtwn0="wlan0"

create_args_wlan0="wlanmode hostap -apbridge country TW"

ifconfig_wlan0="inet 10.10.200.1 netmask 255.255.255.0"

hostapd_enable="YES"

ifconfig_ue0="up"

ifconfig_wlan0="up"

#Filrewall and NAT enable

firewall_enable="YES"

firewall_nat_enable="YES"

firewall_script="/etc/ipfw.rules"

gateway_enable="YES"

dnsmasq_enable="YES"

• 在/etc/ipfw.rules下設定如下:

ipfw -q -f flush

cmd="ipfw -q add"

skip="skipto 1000"

pif=ue0

wif=wlan0

ks="keep-state"

good_tcpo="22,25,37,53,80,443,110"

ipfw disable one_pass

ipfw -q nat 1 config if $pif same_ports unreg_only reset

$cmd 005 allow all from any to any via $wif

$cmd 010 allow all from any to any via lo0 # exclude loopback traffic

$cmd 099 reass all from any to any in # reassemble inbound packets

$cmd 100 nat 1 ip from any to any in via $pif # NAT any inbound packets

# Allow the packet through if it has an existing entry in the dynamic rules table

$cmd 101 check-state

# Authorized outbound packets

$cmd 200 $skip tcp from any to any $good_tcpo out via $pif setup $ks

$cmd 210 $skip udp from any to any 53 out via $pif $ks

$cmd 220 $skip icmp from any to any out via $pif $ks

# allow all outbound

$cmd 230 $skip tcp from any to any out via $pif setup $ks

#Authorized inbound packets

$cmd 500 allow icmp from any to me via $pif

$cmd 501 allow tcp from any to me 22 via $pif setup $ks

# otherwise deny

$cmd 999 deny log all from any to any

$cmd 1000 nat 1 ip from any to any out via $pif # skipto location for outbound stateful rules

$cmd 1001 allow ip from any to any

詳細過程可觀看下列影片:

註1:

本次實驗使用不同SD卡安裝系統，若讀者發現系統DISK IO異常，也許可換不同廠牌SD卡試試看。

FreeBSD 13.1 GNOME、KDE5和Xfce中文桌面環境安裝

 FreeBSD桌面環境常用的有GNOME、KDE和Xfce。本文著重介紹在中文環境的安裝。

壹、FreeBSD 13.1基本安裝:

安裝過程主要使用內定值，其他特別事項如下說明:

• 若不選擇安裝ports，則以後可使用portsnap fetch / portsnap extract指令安裝

• 可安裝在ZFS partition或是一般的UFS partition

• 使用ZFS可選用不同等級的 redundancy 增加系統可靠度

• 開啟自動網路校時

• 新增一位使用者 group 為wheel，可執行su指令成為root身分。

貳、安裝桌面環境

一、安裝共同部分:

1. 安裝xorg，以pkg指令安裝
   pkg install -y xorg
2. 安裝中文字型，使用ports安裝
   cd /usr/ports/chinese/CNS11643-font
   make install clean

二、安裝桌面環境:選擇一種安裝

1. GNOME:
   執行:pkg install gnome
   在/etc/rc.conf加入以下各行，讓系統啟動後直接進入桌面環境
   dbus_enable="YES"
   hald_enable="YES"
   gdm_enable="YES"
   gnome_enable="YES"
   
   
2. KDE5:
   執行:pkg install kde5，安裝完整KDE 或 執行: pkg install plasma5-desktop安裝精簡版的KDE
   執行: pkd install sddm， 安裝桌面登入管理
   在/etc/rc.conf加入以下各行，讓系統啟動後直接進入桌面環境
   dbus_enable="YES"
   hald_enable="YES"
   sddm_enable="YES"
   
   
3. Xfce:
   執行:pkg install xfce，
   執行: pkd install slim， 安裝桌面登入管理
   執行: echo ". /usr/local/etc/xdg/xfce4/xinitrc" > ~/.xinitrc
   在/etc/rc.conf加入以下各行讓系統啟動後直接進入桌面環境
   dbus_enable="YES"
   hald_enable="YES"
   slim_enable="YES"

三、桌面環境中文介面:

重新啟動系統後即可自動進入桌面環境登入介面，登入後啟用終端機程式，安裝ibus中文輸入法

執行:pkg install -y zh-ibus-chewing(注音)或 pkg install -y zh-ibus-canglie(倉頡)

接著設定中文環境

• GNOME:

進入settings的region & language設定中文並無法更改中文介面，直接更改

/usr/local/etc/gdm/locale.conf檔案內容

LANG="zh_TW.UTF-8"

LC_CTYPE="zh_TW.UTF-8"

LC_MESSAGES="zh_TW.UTF-8"

LC_ALL="zh_TW.UTF-8"

詳細過程可參閱以下影片:

• KDE5:

在settings region/language 下選擇中文，並且在
.profile檔案下加入以下設定，才能正常啟用輸入法:

~/.profile

XIM=ibus; export XIM

GTK_IM_MODULE=ibus; export GTK_IM_MODULE

QT_IM_MODULE=ibus; export QT_IM_MODULE

XMODIFIERS=@im=ibus; export XMODIFIERS

XIM_PROGRAM="ibus-daemon"; export XIM_PROGRAM

XIM_ARGS="--daemonize --xim"; export XIM_ARGS

詳細過程可參閱以下影片:

• Xfce:

在~/.xinitrc檔案下加入下列設定以啟用中文與輸入法:

XIM=ibus; export XIM

GTK_IM_MODULE=ibus; export GTK_IM_MODULE

QT_IM_MODULE=ibus; export QT_IM_MODULE

XMODIFIERS="@im=ibus"; export XMODIFIERS

XIM_PROGRAM="ibus-daemon"; export XIM_PROGRAM

XIM_ARGS="--daemonize --xim"; export XIM_ARGS

LANG="zh_TW.UTF-8"; export LANG

LC_CTYPE="zh_TW.UTF-8"; export LC_CTYPE

LC_MESSAGES="zh_TW.UTF-8"; export LC_MESSAGES

LC_ALL="zh_TW.UTF-8"; export LC_ALL

exec startxfce4

===============

xfce音效輸出設定

執行：

pkg install -y xfce4-pulseaudio-plugin

pkg install -y xfce4-volumed-pulse

== /etc/rc.conf加入

sound_load="YES"

snd_hda_load="YES"

=============

詳細過程可參閱以下影片:

ZFS介紹--在FreeBSD與ubuntu環境下實作(ZFS file system introduction and experiment in FreeBSD and ubuntu)

本篇文章著重在FreeBSD與ubuntu下實作ZFS 檔案系統，ZFS理論與優缺點部分不再贅述。

ZFS (Zettabyte file system):

實作上以兩個指令(zpool與zfs)來運作 

1. zpool: 設定ZFS storage pools
2. zfs --設定 ZFS datasets

zpool指令: 管理實體儲存設備，形成storage pool

1. Device: 一個實體儲存設備，例如硬碟等.
2. Virtual Device(vdev): 一個虛擬設備(vdev)可以是單一個device組成，也可以是多的devices組成mirror, raidz, raidz2, raidz3等主要儲存虛擬設備，也可以當成是hot spare，log等虛擬設備。 
3. zfs pool: 一個storage pool是由多個vdevs組成，若主要儲存是由多個vdevs組成，則這幾個vdevs在storage pool中是以stripe方式組成。因此若vdev是由單一個device構成，則損換一個device則整個storage pool就會損壞。因此構成storage pool的vdevs一般會採用mirror 或raidz[1-3]較為適合。

zfs指令:管理在storage pool內的dataset

dataset分為:

1. File system: 能直接掛載在檔案系統中，就像一般檔案系統一樣。
2. Volume: 是一種block device，可視為是一顆邏輯硬碟，若要掛載在檔案系統中使用，需partition與format後才可mount在檔案系統下。一般直接用來當作iSCSI target的device。
3. Snapshot: file system或volume特定時間點的快照，一般以 filesystem@name 或 volume@name形式表示。
4. Bookmark: 像snapshot，但沒有實際保留資料空間。

實機測試:

實際在FreeBSD與ubuntu下，使用12個 20GB虛擬硬碟測試。

包含:

• ZFS pool硬碟設備故障，如何手動與自動更換故障的設備。
• ZFS pool在不同作業系統中實體移轉。
• zfs dataset 的snapshot, rollback, clone
• zfs dataset在同機器或跨機器間備份與回存(zfs send/zfs receive)

實作過程請參閱以下影片

Raspberry Pi 3 + FreeBSD + ZFS + iSCSI (Part 1)

實驗在Raspberry pi 3 B+上安裝FreeBSD作業系統，啟用ZFS檔案系統，比較ZFS dataset有使用壓縮(Compression)與副本(copies)屬性使用磁碟空間比較。另外建立一個ZFS Volume(Block device)作為iSCSI Target使用。以Windows系統連線iSCSI Target並格式化為NTFS。測試ZFS snapshot, rollback 等功能。 

一、下載Raspberry Pi的FreeBSD OS Image:

從FreeBSD官網下載作業系統映像檔，如下圖所示:

下載檔案:FreeBSD-13.0-RELEASE-arm64-aarch64-RPI.img.xz

二、使用Raspberry Pi Imager安裝作業系統到SD Card上:

1. 從https://www.raspberrypi.com/software/下載Raspberry Pi Imager:
   
   
2. 安裝FreeBSD Image:
   選用use custom選項，安裝剛剛下載的OS映像檔。

三、設定FreeBSD Static IP, nameserver, 與sshd允許遠端連線:

1. static IP: 查看網路面卡名稱(ue0)，編輯/etc/rc.conf加入
   ipconfig_ue0="inet x.x.x.x netmask x.x.x.x"
   defaultrouter="x.x.x.x"
   
   
   

   
2. nameserver:編輯/etc/resolv.conf加入nameserver ip:
   

   

   
   
3. sshd:編輯/etc/ssh/sshd_config更改permitRootLogin成yes
   

   

   
   

四、把外接USB硬碟加入ZFS pool:

啟用ZFS服務:

1. 編輯/etc/rc.conf加入zfs_enable="YES"
   
   
   
   
2. 執行service zfs start啟用zfs service
   

   
3. 查看外接USB硬碟設備代號(da0)，
   

   

   執行zpool create storage da0建立名稱為storage的zfs pool。
   

   
   

   

五、比較zfs dataset具有compression與copies屬性儲存空間的差異

1. 分別建立storage/normal, storage/compress與storage/data三個filesystem，
   
   
   
   
2. 設定storage/compress具有compression屬性
   

   
3. 設定storage/data具有copies=2屬性，可把資料儲存兩份，增加可靠性
   

   
4. 複製相同的資料到這三個檔案系統，查看使用硬碟空間的差異。
   

   
   
   

   

   
   

   六、建立iSCSI Target，使用Windows iSCSI Initiator 連線成為自己的硬碟

1. 建立zfs volume(block device)作為iSCSI Target設備 zfs create -V 25G storage/iscsi01
   
   
2. 編輯/etc/ctl.conf
   
   
   更改etc.conf權限,chmod 644 /etc/ctl.conf
   編輯/etc/rc.conf加入ctld_enable="YES"
   
   
   啟用service ctld start
   
   
   
   
3. 啟用Windows iSCSI Initiator 連線iSCSI Target
   
   
   
   
4. 使用Windoes disk managment格式化iSCSI 硬碟
   
   

七、zfs snapshot與rollback展示: