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Progetto 4

Questa pagina descrive il IV Progetto di LPR 2009/10.

Descrizione del problema

Si vuole realizzare un juke-box condiviso adatto al XXI secolo. Il sistema dovrà consentire a un insieme di utenti di condividere la propria musica; il sistema seleziona casualmente un brano da questo insieme, e provvede ad inviarlo in streaming a tutti gli utenti collegati. Una caratteristica fondamentale del juke-box condiviso è la sua natura sociale: è importante che tutti gli utenti ascoltino la stessa musica (ciascuno dal proprio computer, magari con una cuffia), in modo da incoraggiare i commenti e gli scambi di opinioni sulla musica che viene trasmessa, in presenza o tramite una chat (che non è parte del presente progetto).

Complessivamente, il sistema si comporta quindi come una web radio, limitata però a un piccolo gruppo di utenti, e il cui palinsenso è costruito in base ai contributi musicali degli utenti stessi.

Ciclo di funzionamento

Ogni utente del juke-bok è dotato di un programma, che normalmente funge da client, ma occasionalmente può fungere anche da server. Al programma viene fornito, come parametro di riga di comando, l'indirizzo IP di un gruppo multicast e il path di una directory contenente file musicali; ogni gruppo multicast avrà un server e un numero qualunque di client. All'avvio, il programma invia sul gruppo una richiesta di join. Se non viene ricevuta risposta entro 10 secondi, il programma si auto-nomina server per il gruppo multicast, e prosegue normalmente (dovrà svolgere da ora in poi i compiti di client e server). Se invece riceve una accettazione da parte di un server, si predispone a fungere da client per quel server. Una volta stabilito il contatto con il server, il client invia la lista della musica che ha a disposizione, letta dalla directory indicata, attraverso una serie di messaggi disponibile. Dopo aver trasmesso la lista al server, il client si pone in attesa di ricevere dal server un comando play, che contiene l'indicazione di quale brano (fra quelli disponibili al client) eseguire. L'esecuzione consiste nell'invio dei dati audio sul gruppo multicast, per la riproduzione da parte di tutti i client (incluso quello che li sta inviando), come meglio specificato sotto.

Il ciclo di funzionamento del client è dunque duplice:

  1. individua il server
  2. invia la lista dei tuoi brani al server
  3. attendi comando play
  4. esegui lo streaming del brano
  5. goto 3

e

  1. attendi che inizi lo streaming di un brano
  2. riproducilo sul dispositivo audio
  3. goto 1

Il ciclo di funzionamento del server è anch'esso duplice:

  1. attendi richieste di join
  2. servile, ricevendo la lista dei brani
  3. goto 1

e

  1. scegli un brano a caso fra quelli disponibili
  2. invia il comando play al client relativo
  3. attendi che sia terminato lo streaming
  4. goto 1

Per semplicità, il progetto non richiede comportamenti specifici in caso di terminazione o blocco del server o di alcuni client, o di auto-proclamazione di più server dovuta a “race condition” (in pratica, non è richiesta l'implementazione di un vero protocollo distribuito di leader election); gli studenti sono comunque invitati a gestire in maniera ragionevole questi casi.

Documentazione del protocollo

Il juke-box distribuito deve essere implementato in modo che client e server diversi possano interoperare. Per questo motivo, tutte le comunicazioni devono rispettare scrupolosamente un protocollo ben definito.

Il sistema prevede tre flussi distinti di comunicazione:

  • fra client e server (via UDP in broadcast) per la registrazione iniziale;
  • fra client e server (via TCP) per i dati di controllo;
  • fra client e client+server (via UDP in broadcast) per l'audio in streaming.

Registrazione iniziale

La richiesta di join ha il seguente formato:

0 1 2 3
J O I N

ovvero, un pacchetto di 32 bit contenente i codici ASCII delle lettere che formano la parola “JOIN”. A questa richiesta il server, se presente, risponde con un messaggio di accettazione così composto:

0 1 2 3 4-7 8-9
H E L O indirizzo ip porta

con cui il server invita il nuovo client a contattarlo (via TCP) all'indirizzo IP e porta indicati per la prossima fase della conversazione.

Dati di controllo

L'invio dell'elenco dei brani disponibili di un cliente avviene tramite l'invio di 0 o più messaggi che elencano la musica disponibile. Ogni pacchetto ha il seguente formato:

0 1 2 3 4-5 6- n
M U S I id title \0

in cui l'id è un intero a 16 bit assegnato a discrezione del client (che però deve essere unico, per ogni brano, all'interno del client), mentre il titolo è una stringa ASCII di lunghezza qualunque, terminata dal codice NUL (ovvero, un byte di valore 0). Per semplicità, non sono previsti messaggi per rimuovere un brano una volta aggiunto.

Il server può richiedere al client di iniziare lo streaming di un brano con il comando play, che ha il seguente formato:

0 1 2 3 4-5
P L A Y id

in cui l'id è il valore a suo tempo comunicato dal client che identifica il brano da eseguire. In risposta a un comando play, il client inizia a inviare in streaming i dati audio come indicato sotto.

Audio in streaming

L'invio in streaming di un brano avviene in tre parti: dapprima si invia una intestazione per il file, quindi si inviano, in maniera cadenzata, i frame che compongono l'audio vero e proprio; per finire, si invia un indicatore di terminazione. Per quanto riguarda in particolare i frame contenenti i dati audio, è importante che questi siano inviati alla giusta frequenza, in base anche al formato audio impiegato, in modo da non sovraccaricare i buffer di ricezione degli altri clienti. Sia il client che invia l'audio, sia quelli che lo ricevono, devono lavorare in streaming: _non è accettabile_ trasferire l'intero file prima di riprodurlo. In particolare, il sistema deve essere in grado di gestire brani di lunghezza qualunque, e i client che ricevono l'audio non possono scrivere su disco (e ci sono ovvi limiti a quanti dati audio possono essere tenuti in memoria in attesa di essere riprodotti).

I pacchetti per l'invio dei dati audio sono come segue:

0 1 2 3 4-5 6- n
B E G I id title \0

All'inizio della trasmissione, il client originatore invia un pacchetto BEGI indicando un proprio id (preferibilmente, un numero casuale) che serve a identificare lo stream (e distinguere i dati di questo stream da quelli di altri eventuali stream che altri client potrebbero inviare, erronamente, in contemporanea sul gruppo multicast); viene anche inviato il titolo del brano, che gli altri client possono visualizzare all'utente.

0 1 2 3 4-5 6-7 8-(8+len)
D A T A id len dati

I pacchetti DATA contengono, oltre all'id dello stream, l'indicazione della lunghezza dei dati, seguita dai dati veri e propri.

0 1 2 3 4-5
E N D F id

Al termine della trasmissione dei dati audio, il client originatore invia un pacchetto ENDF, che indica il completamento dello stream.

Accesso all'audio

La classe principale per l'accesso all'audio in Java è la AudioSystem, che fornisce molti metodi statici. Altre classi utili sono la AudioInputStream (un InputStream specializzato per leggere dati audio), la AudioFormat (che rappresenta un formato audio), la SourceDataLine (che rappresenta una sorgente audio - ovvero, un canale di output dall'applicazione verso l'hardware audio). Allo studente si raccomanda di prendere familiarità con queste classi; qui di seguito è comunque riportato un esempio di utilizzo (che usa un File come sorgente dei dati audio, mentre il progetto dovrà ricevere i dati audio da rete).

// Crea:
// un AudioInputStream (in questo caso da un file, ma esiste una variante overloaded che legge i dati audio da un InputStream qualunque),
// un AudioFormat che rappresenta il formato dei dati audio dell'AudioInputStream
// una SourceDataLine che rappresenta un canale di output audio pronto a riprodurre dati nell'AudioFormat indicato
 
File f = new File("/usr/share/sounds/warning.wav");
AudioInputStream ais=AudioSystem.getAudioInputStream(f);
AudioFormat af=ais.getFormat();
SourceDataLine sdl=AudioSystem.getSourceDataLine(af);
 
// Inizializza un buffer di dimensione adeguata a contenere un secondo di audio
 
int bufsize=(int) (af.getSampleRate()*af.getFrameSize());
byte[] buffer = new byte[bufsize];
 
// Apre il canale audio e imposta il volume master al massimo
 
sdl.open(af);
if( sdl.isControlSupported( FloatControl.Type.MASTER_GAIN ) ) {
   FloatControl volume = (FloatControl) sdl.getControl( FloatControl.Type.MASTER_GAIN );
   volume.setValue( volume.getMaximum() );
}
 
// Avvia la riproduzione dell'audio
 
sdl.start();
 
// Legge, a blocchi, i dati dall'AudioInputStream e li scrive sul canale audio
 
int l=1;
while (l>=0) {
   l=ais.read(buffer);
   if (l>=0) sdl.write(buffer, 0,l);
}
 
// Aspetta che sia terminata la riproduzione dell'audio, quindi ferma tutto
 
sdl.drain();
sdl.stop();
sdl.close();

Il sottosistema audio di Java è estendibile tramite plug-in per supportare la riproduzione di formati qualunque, ma non sempre sono disponibili i plug-in giusti. Si raccomanda di utilizzare per le prove dei file in formato WAV (o altri formati basati su PCM come .au).

estra).

Requisiti generali e modalità di consegna

Ogni studente che vuole sostenere l'esame di LPR deve consegnare il progetto svolto al docente in forma elettronica. Il progetto deve essere sottomesso individualmente, ma può essere svolto da un gruppo di due studenti al massimo: in questo caso nel progetto va indicato esplicitamente il collega con cui si è collaborato. L'esame orale del corso, che comprende la discussione del progetto, sarà individuale: ciascuno studente è responsabile dell'intero progetto consegnato.

Per poter essere valutato, il codice del client sviluppato nel progetto deve essere in grado di interagire senza errori con altri client e server (che rispettino il protocollo indicato sopra).

Il codice del progetto deve essere ben commentato e deve essere accompagnato da una relazione di 3-5 pagine che descrive l'organizzazione del codice.

Codice, relazione e manuale d'uso devono essere inviati per posta elettronica al docente del corso entro data da decidere. Progetti inviati dopo tale scadenza non verranno ammessi, e lo studente dovrà svolgere un nuovo progetto che verrà pubblicato successivamente.

I progetti sottomessi verranno testati durante un evento pubblico; i dettagli verranno forniti in seguito.

FAQ

lpr-a/progetto4.txt · Ultima modifica: 14/12/2010 alle 13:38 (9 anni fa) da Vincenzo Gervasi