Freifunk-Gateway aufsetzen

Preface

Für das Aufsetzen eines Freifunk-Gateway gibt es kein universelles Kochrezept. Auch erfahrene Admins erfahren bei der Installation kleinere und grössere Herausforderungen, die es zu überwinden gilt. Unterschiedliche Softwareinstallationen, Netzwerkkonfigurationen, Hoster und VPN Anbieter können Anpassungen zu der hier präsentierten Vorgehensweise notwendig werden lassen, z.B. indem Pakete nach installiert werden oder Netzwerkkonfigurationen angepasst werden müssen. Um dies zu erleichtern, versucht der Artikel nicht nur die Konfiguration darzulegen, die in diesem spezifischen Fall funktioniert hat ("Know-How"), sondern versucht auch kurz auf die Hintergründe einzugehen, um ggf. eine Anpassung zu erleichern ("Know-Why").

Die Anleitung dient dazu, den Einstig zu erleichtern.
Viele der Dinge können später auf die eigenen Bedürfnisse angepasst und zugeschnitten werden.

Die Anleitung hat keine Garantie auf Vollständigkeit und wird stetig verändert und verbessert.
Wenn du beim Installieren auf Probleme oder Fehler stößt: Der nächste freut sich, wenn er auf diesen Fehler nicht mehr stößt oder eine entsprechende Anmerkung im Wiki findet. :-)

Freifunk Franken ist "Development in Progress", d.h. eine Konfiguration die heute funktioniert, wird morgen durch eine andere und vielleicht sogar bessere abgelöst. Ein einmal aufgesetztes Gateway muss sich so der Entwicklung anpassen.

Für Rat und Tat empfiehlt sich die Freifunk Franken Development und die Freifunk Franken Gateway Mailingliste.

Referenzen / Andere Freifunk HowTo's

• http://wiki.freifunk.net/Freifunk_Hamburg/Gateway
• http://wiki.mag.lab.sh/wiki/Freifunk_Fulda/Gateway

Voraussetzungen

Was der Betreiber mitbringen sollte

• Grundlegende Kenntnisse mit IP-Routing (IPv4 und IPv6)
• Motivation, etwas [jede Menge] dazuzulernen und sich aktiv mit der Materie auseinanderzusetzen.
• Das Freifunk Netz ist der optimale Ort, um sich in dieser Richtung neue Kenntnisse anzueignen - zumindest wenn man sich dann auch damit (und. v.a. mit den auftretenden Problemen) auseinandersetzt.
• Es gibt viele nette Leute im IRC, die immer gerne helfen, wenn die Motivation da ist, sich auch selbst mit dem Problem zu befassen.
• Für die schnelle Abstimmung unter den GW Betreibern sollte sich jeder Betreiber auf der freifunk-gateway Mailingliste setzen. Die "große" Liste und die dev-Liste sind ebenfalls hilfreich.
• Ohne Vorkenntnisse ist es schwierig, aber ganz und gar nicht unmöglich ein Gateway aufzusetzen. Soweit es nicht bei dem Kenntnisstand bleiben soll, wird auch hier gerne geholfen.
• Bereitschaft mitzuhelfen, das Wiki aktuell zu halten, damit die Ressourcenplanung (IPs!) funktioniert und für Notfälle die wichtigsten Infos und Ansprechpartner zu den Servern vorhanden sind. Die wichtigsten Seiten sind Server, Portal:Netz und Portal:Netz/IPv6.
• Ein wenig Zeit - sowohl fürs Aneignen des Verständnisses als auch fürs Aufsetzen an sich. Gehe erstmal von ganz grob 5-20 Stunden Arbeitszeit aus, um von einem "nackten" Server zu einem voll funktionstüchtigen GW zu kommen, das ja doch aus recht vielen verschiedenen Diensten besteht. Nach der Ersteinrichtung sollte man regelmäßig ein wenig Zeit investieren, um zu schauen, ob alles in Ordnung ist, Updates zu fahren, Änderungen in der Infrastruktur nachzupflegen, sich tiefergend mit der Materie zu beschäftigen, etc.

Was der Server können muss

• Öffentliche IPv4 und IPv6 Adresse
• Kernelmodule laden (Bestimmte Virtualisierungslösungen wie OpenVZ sind daher nicht möglich)
• Nur relativ wenig CPU und RAM nötig
• dafür relativ viel Traffic (Je nach Größe und Anzahl der Hoods durchaus im ein- bis niedrigen zweistelligen TB Bereich)

• fastd VPN
• Batman (Compat15)
• DHCP
• Router Advertisements
• Routing
• Babel Routing Protokoll
• Webserver für Hoodfiles

Anbindung an andere Netze

Neben unserem eigenen Freifunknetz gibt es weitere Netzwerke mit denen sich ein Peering lohnt:

• InterCity-VPN zwischen den meisten Freifunknetzen
  • BGP
  • kleine Übsicht der http://www.ddmesh.de/topology/ic-vpn-verbindungen.html
  • Mehr Infos: ICVPN

• DN42
  • BGP
  • Experimentelles Darknet zur Erprobung von Routing-Technologien und so weiter, wird privat betrieben. Viel interessantes Zeugs™

• ChaosVPN
  • Tinc
  • Relativ großes „Darknet“ zwischen vielen Hackerspaces auf der ganzen Welt.

Server-Anbieter

Empfehlenswert

Der kleinste Hetzner Cloud Server kann derzeit empfohlen werden. Rechenleistung ist ausreichend und der Traffic ist angemessen.

Generell ist aber jeder Server, der die oben genannten Voraussetzungen erfüllt, super geeignet. Umso mehr verschiedene Rechenzentren im Freifunknetz, umso besser.

• Hetzner (Nürnberg, Falkenstein, Helsinki)
  • Cloud Server, 20TB Traffic 2,96€/Monat

• xirra (Core-Backbone, NBG)
  • KVM, TB-Traffic zu 5,95€. Langweilig und funktioniert. Pflegt bisher einen guten Kontakt zu Kunden.

Installation

Die Installation des Betriebssystems, Absicherung des Servers, Installieren von Updates usw. sind NICHT Gegenstand dieser Anleitung. Trotzdem kurz einige Hinweise:

• Empfohlenes Betriebssystem: Debian
• Sicherheit
  • SSH Login nur mit Keys, Login per Passwort abschalten (siehe hier)
  • root-Login per SSH höchstens per Key, besser abschalten
  • Hier bekommst du weitere Tipps zur Absicherung eines Debian Servers

Vorbereitung

IP-Adressen und DHCP Range des Gateway

Um Doppelbelegungen zu vermeiden, müssen diese auch im Wiki eingetragen werden.

An dieser Stelle sollte man sich unbedingt mit Subnetzen und der CIDR-Notation vertraut machen, falls einem das (noch) Fremdworte sind.
Ein entsprechender IP-Rechner findet sich z.B. hier.

Private FFF IPs

Für jede Hood reserviert man sich einen IPv4 bzw. IPv6 Adressbereich, mit welchem die Knoten und Clients versorgt werden.

Für die Hoods muss bei IPv4 noch ein Bereich festgelegt werden, aus dem dann später Adressen verteilt werden. Dieser muss:

• innerhalb des Subnetzes der Hood liegen.
• innerhalb der Hood eindeutig sein. (Darf sich nicht mit dem Adressbereich überschneiden, den andere DHCP Server in der Hood verwalten)
• vollständig außerhalb des statischen Bereichs der Hood liegen.

Gleichzeitig teilt der DHCP-Server den Clients mit, welchen DNS-Server und welches Default-Gateway die Clients verwenden sollen. Die Gesamtgröße aller verwalteten DHCP-Bereiche des Servers hat so direkten Einfluss auf die Arbeitslast, die der den Clients zugeteilte DNS-Server und der zugeteilte Internet-Gateway später sehen.

Bei IPv6 wird nur Gateway, DNS-Server und Subnetz per Router Advertisement in der Hood bekannt gemacht, den Rest erledigen die Clients.

Peering-IPs

Für die Peerings verwenden wir Adressen aus einem speziell dafür vorgesehenen Bereich.
Die Adressen werden mit einer /32 Netzmaske an die Peering-Interfaces gehängt, um die entsprechenden Routen kümmert sich dann babel.
So spart man sich ein paar IPv4 Adressen, da nicht immer ein /31 Subnetz für ein Peering drauf geht und (wenn auch unsauber) für jedes Peeringinterface die gleiche Adresse genutzt werden kann.

Bei IPv6 genügen die Link-Local Adressen.

Möchte man auf seinem Gateway Dienste unabhängig von den Hoods anbieten, kann dafür die Peering-IP (für IPv6 ist daher ebenfalls ein Bereich dafür vorgesehen) gut verwendet werden.

OS Settings

IP-Forwarding

Per default leitet Debian keine Pakete weiter, die unser Gateway erreichen. Deswegen muss IP-Forwarding aktiviert werden. :

Manuell (nur bis zum reboot aktiv):

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

echo "1" > /proc/sys/net/ipv6/conf/default/forwarding
echo "1" > /proc/sys/net/ipv6/conf/all/forwarding

sysctl Einstellungen können in der Datei /etc/sysctl.conf dauerhaft eingestellt werden.

Dort gibt es für das Forwarding bereits die passenden Zeilen, die nur einkommentiert werden müssen:

# Uncomment the next line to enable packet forwarding for IPv4
net.ipv4.ip_forward=1

# Uncomment the next line to enable packet forwarding for IPv6
#  Enabling this option disables Stateless Address Autoconfiguration
#  based on Router Advertisements for this host
net.ipv6.conf.all.forwarding=1

ICMP Fehlerpakete für IPv4

Damit ICMP hinter unserem NAT korrekt funktioniert, müssen die ICMP Fehler passend geroutet werden, dass sie beim NAT-Server landen. Das kann in Linux mit der Option "net.ipv4.icmp_errors_use_inbound_ifaddr = 1" erreicht werden.

Analog zu oben sollte diese Einstellung in sysctl.conf eingetragen werden, damit sie rebootfest ist:

net.ipv4.icmp_errors_use_inbound_ifaddr = 1

Außerdem landen dann keine ICMP Pakete mit internen Adressen als Absender auf dem Uplink [dem Hoster].

Routing Tabelle für Freifunk

Für die Routen im Freifunk Franken Netz muss eine eigene Routingtabelle angelegt werden.

Damit die Tabelle auch mit Name aufrufbar ist, sollten Tabellennummer und Name in /etc/iproute2/rt_tables eingetragen werden:

10     fff

Der Inhalt der Routingtabelle kann später mit

ip route show table fff
bzw.
ip -6 route show tab fff

angezeigt werden.

Die Konfiguration wird exemplarisch für das Einrichten eines GW's in der Fürther Hood beschrieben, wobei erläutert wird, welche Anpassungen für nicht-Fürther Hoods gemacht werden müssen.

Layer 3

Generelle Layer 3 Routing Regeln

Damit Pakete vom Gateway selbst passend in das Freifunk Netz geroutet werden, sind einige Regeln nötig.

Diese können an die Debian Interfacekonfiguration des Loopback Interfaces hinzugefügt werden, damit sind sie direkt nach dem Boot des Servers verfügbar.

Außerdem können auch FFF-interne IP Adressen (10.x.x.x, fd43:5602:29bd:ffff::xx) an das Loopback Interface gehängt werden.

iface lo inet static
	address 10.83.252.x/32

	up ip -4 rule add to 10.0.0.0/8 lookup fff
	down ip -4 rule del to 10.0.0.0/8 lookup fff

	up ip -4 rule add to 172.20.0.0/14 lookup fff
	down ip -4 rule del to 172.20.0.0/14 lookup fff

iface lo inet6 static
	address fd43:5602:29bd:ffff::xx/128

	up ip -6 rule add to fc00::/7 lookup fff
	down ip -6 rule del to fc00::/7 lookup fff

Layer 3 Tunnelprotokolle

Für Babel ist eine direkte Verbindung mit dem Nachbar nötig (Ethernet, WiFi, ..). Wenn keine direkte Verbindung besteht, kann mithilfe eines Layer 3 Tunnels eine direkte Verbindung durch ein bestehendes Netzwerk (z.B. das Internet) hergestellt werden.

GRE

GRE benötigt an beiden Enden eine feste IP-Adresse, da die Konfiguration komplett statisch ist. Außerdem unterstützen viele NATs GRE nicht, ggf. muss bei IPv4 eine passende Portweiterleitung angelegt werden.

Dafür ist es ein sehr einfaches Protokoll, leicht zu debuggen, sehr leightgewichtig und dadurch extrem schnell.

Es wird daher meist zwischen Servern in Rechenzentren eingesetzt. Der Traffic ist nicht verschlüsselt.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/gre

wireguard

Wireguard benötigt nur an einem Ende eine feste IP Adresse. Außerdem kann es leicht hinter NAT betrieben werden, da UDP verwendet wird.

Dafür ist das Protokoll etwas komplizierter (und verschlüsselt) und dadurch auch etwas langsamer. Dennoch lassen sich je nach Hardware einige hundert MBit/s erreichen.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/wireguard

Babel Routingprotokoll

Zwischen den Routern werden Routen über ein Routingprotokoll ausgetauscht.

Bei Freifunk Franken verwenden wir dafür aktuell Babel.

Babel tauscht die erreichbaren IP-Bereiche zwischen den Routern aus, sodass jeder Router weiß über welchen Weg er andere IP-Bereiche erreichen kann.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Babel

Routing ins Internet

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Traffic ins Internet zu routen.

• Einen anderen Router ins Internet routen lassen und dessen angebotene Route nutzen.
• Direkt am eigenen Server ins Internet routen
• Über einen VPN Anbieter ins Internet routen

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Routing-ins-Internet

Layer 2

B.A.T.M.A.N. Advanced

Zwischen den zentralen Knoten und dem dazugehörenden Gateway wird mithilfe von Tunneln und batman-adv ein großes Layer2 Netz aufgebaut. Dieses kann man sich vorstellen wie einen großen Switch zwischen dem Gateway und allen zentralen Knoten.

Für dezentrale Gateways ohne batman-adv gilt dennoch der "Konfigurationsabschnitt" von batman-adv für das Clientinterface, nur dass die batman-adv spezifischen Einstellungen weggelassen werden.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Batman-adv

VPN für die Knoten

Um das batman-adv der Knoten mit dem des Gateways zu verbinden, sind Layer 2 Tunnel nötig.

Dafür gibt es aktuell zwei verschiedene Möglichkeiten. Es wird in der aktuellen Firmware immer nur eine der beiden Varianten verwendet. Derzeit empfehlen wir aber trotz der deutlich langsameren Verbindungen fastd, da l2tp auf dem Server häufig instabil läuft.

fastd

+ wird von fast allen Gateways eingesetzt
+ relativ einfach zu Konfigurieren
- Läuft im Userspace, daher recht performancehungrig

Freifunk-Gateway_aufsetzen/VPN/fastd

l2tp mit Tunneldigger

+ Läuft im Kernel, daher sehr schnell
- Läuft scheinbar instabil
- Aktuell kennen sich nur wenig Leute mit dieser Konfiguration aus

Freifunk-Gateway_aufsetzen/VPN/l2tp

B.A.T.M.A.N Gateway Selection

Um zu steuern, von welchem der Gateways Clients Adressen und damit auch das Default-Gateway beziehen, setzen wir einen weiteren großen Pfusch ein: Die Batman Gatewayselection

Diese filtert DHCP Offers von den Gateways und lässt nur die Offers eines bestimmten Gateways bis zum Client durch.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Batman-Gatewayselection

Dienste

SLAAC

Bei IPv6 funktioniert die automatische Adresszuweisung über SLAAC.
Dafür ist ein Dienst nötig, der die Router Advertisements mit den passenden Subnetzen sendet.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/radvd

DHCP Server

Die automatische Adresszuweisung funktioniert bei IPv4 mit DHCP. Es muss ein DHCP Server installiert werden, der die Adressen passend an die Clients verteilt.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/DHCP

DNS Server

Die Clients möchten Domains auflösen können, deshalb ist ein DNS-Server nötig. Zwar könnte einfach einer der öffentlichen {Google,Cloudflare,Quad9} DNS Server ausgeliefert werden, aber wir wollen die Anfragen ja nicht an große Unternehmen senden. :-)

Außerdem können mit einem eigenen (rekursiven) DNS-Server auch die IC-VPN DNS Server erreichbar gemacht werden.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/DNS

http Server für Hoodfile

Das Gateway muss ein aktuelles Hoodfile an Meshknoten ausliefern können. Dafür ist ein HTTP Server nötig.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/http

Alfred Master (Monitoring)

Die Nodewatcher-Daten aller Knoten werden in einem Alfred Server gesammelt und am Gateway dann gemeinsam ans Monitoring übertragen.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Alfred

Für dezentrale Gateways kann der Zwischenschritt über Alfred ausgelassen und die Daten direkt ans Monitoring gesendet werden. Dafür muss noch eine Anleitung geschrieben werden.

ntp Server

Ein Dienst, der den Routern die aktuelle Uhrzeit bereitstellt. Ist nicht für jedes Gateway zwingend nötig, es kann auch der NTP eines anderen Gateways verwendet werden.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/ntp

gwinfo (optional, Gateway-Daten für Monitoring)

gwinfo ist ein Zusätzliches Script, das Informationen vom Gateway sammelt und ebenfalls ans Monitoring sendet. Das ganze ist optional.

Freifunk-Gateway_aufsetzen/gwinfo

Einbringen des Gateways in die Hood / Keyserver

Abschliessend muss das Gateway im Keyserver als Gateway der entsprechenden Hood eingetragen werden. Hierfür benötigt man einen Keyserver-Administrator => KeyXchange#fff-netmon2.

Bevor man das Gateway der Hood zuordnet, empfiehlt sich ein persönliches Review durch einen erfahrenen Gateway-Admin. Das neue Gateway kann auch versuchsweise zunächst einer Test-Hood zugeordnet werden, um es erstmal auf korrekte Funktion zu überprüfen.

Optimierungen

• ARP Cache
• nf_conntrack

Freifunk-Gateway_aufsetzen/Optimierungen

Einzelne IPs oder Services über anderen Server routen

wird fast nie benötigt, war für mich aber immer ein schönes Nachschlagewerk deshalb lass ich das ganz unten stehen:

Freifunk-Gateway_aufsetzen/spezielles_routing