今回はラズパイ+4GPiを使用して、Wi-Fi端末・有線LAN端末の両方で使えるLTEルータを作ってみます。
概要図
用意するもの
- Raspberry Pi
- 4GPi（ラズパイ用4G LTE通信モジュール）
- SIMカード（今回はSORACOMのSIMを使用）
- ACアダプタ(ラズパイ+4GPiの電力供給用 12V2A)
- Micro SDカード
- PC（Windows10）
準備
OSイメージ書き込み
今回は最新の4GPiのOSイメージ(4gpi-bookworm-lite-arm64-20240319.img.xz)を使用しました。
4GPiのOSイメージは公式のRaspberry Pi OSを元に作られたOSイメージで、必要なパッケージが含まれています。
OSイメージの書き込み方法については下の記事で紹介しています。
ラズパイに4GPi（+SIMカード）を接続
上の写真のような感じでラズパイの上に4GPiを接続します※。
4GPiからGPIO経由でラズパイに電力供給されます。
ラズパイが起動したらログインします。
※上の写真ではログインするために UART接続をしています。
LTEルータ作成手順
ラズパイを4G(LTE)回線でインターネットに接続
コマンド一つで4G(LTE)通信ができるようになります（詳細はこちら）。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli con add type gsm ifname "*" con-name soracom apn soracom.io user sora password sora
接続に成功するとwwan0インターフェースにIPアドレスが自動で振られます。
pi@4gpiRT:~$ ip a show dev wwan0
4: wwan0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN group default qlen 1000
link/none
inet 10.237.221.207/27 brd 10.237.221.223 scope global noprefixroute wwan0
valid_lft forever preferred_lft forever
ラズパイをAP（アクセスポイント）化
NetworkManager1を使ってラズパイのwlan0インターフェースをWi-Fi APにします。
4GPi OSイメージ（bookworm版）では デフォルトで Wi-Fi を無効化しているため2、
以下のコマンドで Wi-Fi を有効化します。
pi@4gpiRT:~$ sudo raspi-config nonint do_wifi_country JP
SSID/パスワードが "RPiAP" / "password" のAPを作成します。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c add type wifi ifname wlan0 autoconnect yes ssid RPiAP
（con-nameを指定しない場合は）wifi-wlan0という名前のコネクションが作成されます。
pi@4gpiRT:~$ nmcli c
NAME UUID TYPE DEVICE
soracom ad08caef-ca78-42ab-a9a4-a2ad74d38dd8 gsm cdc-wdm0
wifi-wlan0 4d8418a7-43b1-4073-a70e-f3b07f16cb51 wifi --
Wired connection 1 afb41213-5fc8-34d3-8790-70d3c1521ec9 ethernet --
使用する帯域やパスワードを設定します。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c mod wifi-wlan0 802-11-wireless.mode ap 802-11-wireless.band bg
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c mod wifi-wlan0 wifi-sec.key-mgmt wpa-psk wifi-sec.psk "password"
wlan0インターフェースのIPアドレスを固定にします。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c mod wifi-wlan0 ipv4.addresses 10.10.0.1/24 ipv4.method manual
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c up wifi-wlan0
pi@4gpiRT:~$ ip a show dev wlan0
3: wlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
link/ether b8:27:eb:ae:d9:35 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.10.0.1/24 brd 10.10.0.255 scope global noprefixroute wlan0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::d85a:ebe3:ff19:bc48/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
ラズパイをDHCPサーバ化
dnsmasqをインストールします。
pi@4gpiRT:~$ sudo apt install dnsmasq
dnsmasqの設定ファイルに設定を追記します。
今回はIPアドレスの割り当て範囲を10.10.0.2 ～ 10.10.0.20、リース時間を24時間としました。
#ファイル末尾に追記
interface=wlan0
dhcp-range=10.10.0.2,10.10.0.20,255.255.255.0,24h
dnsmasqを再起動して設定変更を反映します。
pi@4gpiRT:~$ sudo systemctl restart dnsmasq
ラズパイをルータ化
ufw3を使って設定します。
IPパケット転送設定
/etc/ufw/sysctl.confのnet/ipv4/ip_forward=1のコメントを外し、パケット転送設定を有効にします。
# ..略
net/ipv4/ip_forward=1
# ..略
ufw（ファイアウォール）で パケットの着信と転送を許可します。
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw default allow incoming
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw default allow routed
ufw（ファイアウォール）の状態を確認して以下のように許可されていることを確認します。
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw status verbose
Status: active
Logging: on (low)
Default: allow (incoming), allow (outgoing), allow (routed)
注意点として、パケット着信をデフォルトで許可した場合、例えばwwan0にグローバルIPが付いている場合は外部（インターネット）からラズパイ（wwan0）へのアクセスが可能になり、セキュリティリスクになります。これを考慮して、ここでは wwan0 のパケット着信は拒否するようにしておきます4。
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw deny in on wwan0
IPマスカレード(NAPT)設定
before.rulesにルールを追記します。
# ファイル末尾に追記
# NAT Table rules
*nat
:POSTROUTING ACCEPT [0:0]
-F
-A POSTROUTING -s 10.10.0.0/24 -o wwan0 -j MASQUERADE
COMMIT
ufwの設定変更を反映します。
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw reload
スマホでWi-Fi接続確認
Wi-Fi端末からLTE回線経由でインターネットに接続できるようになりました。
有線LAN端末もLTE回線経由でインターネット接続できるようにする
仮想ブリッジ作成
Linux bridge（br0）を作成します。
Linux bridgeはL2スイッチのように動作します。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c add ifname br0 type bridge
同時にbridge-br0という名前のコネクションが生成されます。
pi@4gpiRT:~$ nmcli c
NAME UUID TYPE DEVICE
bridge-br0 ece60180-ea1f-46a3-978d-87b4886b4d4e bridge br0
soracom ad08caef-ca78-42ab-a9a4-a2ad74d38dd8 gsm cdc-wdm0
wifi-wlan0 e7a96011-2bd7-4570-9712-8dbb25b17324 wifi wlan0
Wired connection 1 afb41213-5fc8-34d3-8790-70d3c1521ec9 ethernet --
eth0を仮想ブリッジに接続します。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c add ifname eth0 type bridge-slave master bridge-br0
仮想ブリッジのIPアドレス固定します。
pi@4gpiRT:~$ sudo nmcli c mod bridge-br0 ipv4.addresses 10.20.0.1/24 ipv4.method manual
仮想ブリッジにDHCPサーバを設定
Wi-Fiの時と同様にDHCPサーバを設定します。
#ファイル末尾に追記
interface=br0
dhcp-range=10.20.0.2,10.20.0.20,255.255.255.0,24h
IPマスカレード設定
IPマスカレードの設定を追記します。
# ファイル末尾に追記
# NAT Table rules
*nat
:POSTROUTING ACCEPT [0:0]
-F
-A POSTROUTING -s 10.10.0.0/24 -o wwan0 -j MASQUERADE
-A POSTROUTING -s 10.20.0.0/24 -o wwan0 -j MASQUERADE # 追記部分
COMMIT
ufwの設定変更を反映します。
pi@4gpiRT:~$ sudo ufw reload
以上の設定により、ラズパイに接続した有線LAN端末がLTE回線経由でインターネット接続できるようになります。
（補足）上の方法で接続がうまくいかないとき
MSSクランプの設定を行うことで解消する場合があります。
・/etc/ufw/before.rules の末尾に以下を追記する。
# MANGLE Table rules
*mangle
-F
-A FORWARD -o wwan0 -p tcp --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --clamp-mss-to-pmtu
COMMIT