MAN: Red de Internet II de Audio Multimedia con Servidores y Clientes Incrustados Reporte Final Registro:

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1 MAN: Red de Internet II de Audio Multimedia con Servidores y Clientes Incrustados Reporte Final Registro: Dr. Maximino Peña Guerrero 1 Ing. José de Jesús Negrete Redondo 2 Dr. Pablo Roberto Lizana Paulin 3 Abril 28, 2005 RESUMEN Se presenta el reporte final correspondiente a las actividades que se llevaron a cabo durante referente al proyecto de investigación MAN: Red de Internet II de Audio Multimedia con Servidores y Clientes Incrustados. 1. Introducción Hoy en día el Instituto Politécnico nacional tiene una infraestructura de comunicaciones de alta velocidad, Internet II, que nos permite interconectar diversos sistemas computacionales, los cuales requieren procesamiento en tiempo real, como son: la simulación, el video, y el sonido. Dicha infraestructura consiste en tendidos de fibra óptica y equipos electrónicos de comunicaciones que tienen anchos de banda y protocolos más rápidos como los que se requieren en el presente proyecto. Existen diversos protocolos de comunicación de datos que hemos explorado durante las ac- 1 Director del proyecto, profesor investigador, ESIME- IPN file: RepPrj.tex. 2 profesor investigador, ESIME-IPN. 3 profesor investigador, ESIME-IPN. tividades de nustro proyecto. Uno de ellos es ATM (Asyncronous Transfer Mode), el cual está diseñado para transferir eficientemente una gran cantidad de cuadros de imagen, lo que permite el movimiento similar a una película cinematográfica. Otro de los protocolos estudiados es Ethernet, desarrollado por Xerox en los 80s cuando sus investigadores estudiaban el procesamiento de partituras musicales, la graficación de imágenes, y las primeras interfases de ventanas que se utilizan hoy en día. Sin embargo, antes de que aperecieran las primeras PCs a principio de los 80s, las computadoras digitales se comunicaban con protocolos menos sofisticados como RS-232 (serial) y el paralelo XON-XOFF. Además, las máquinas se vendían sin su sistema operativo (el usuario debería escribirlo). De esta forma apareció UNIX, sistema operativo que habría de requerir de protocolos especiales debido a los requerimientos multiusuario en un sólo procesador (procesamiento paralelo virtual). En esos tiempos pioneros no habia nada para sonido y video; raramente se hacian experimentos con máquinas grandes (mainf rames), costosas, y de difícil acceso. A principios de los años 90s surgió la red Internet conocida comunmente como W EB. Pero poco a poco, a medida que se iban conectando más computadoras, el protocolo se fue saturando de tal forma que ya no habría más direcciones IP (Internet Protocol). Así, con el nuevo milenio surge Internet II con una mayor capacidad de direccionamiento, nuevos tendidos de fibra óptica y de telecomunicaciones, llega para quedarse dentro de nuestras instalaciones del instituto. Cabe mencionar que existe un tendido de fibra óptica a lo largo y ancho del Distrito Federal, lo cual permite la comunicación digital dentro de nuestras propias instalaciones y otras escuelas del IPN, incluyendo universidades como la UAM, UNAM, entre otras universidades privadas. 1

2 2. Desarrollo del proyecto La realización del presente proyecto se hizo en tres etapas: Primero recopilamos la información necesaria para la programación sofware del sistema. Después se fueron programando de manera independiente los módulos, los cuales se fueron integrando dentro de un sistema de control de transferencia de datos. Por último realizamos las pruebas del sistema MAN con las computadoras de nuestro laboratorio y las computadoras WEB del IPN, transmitiendo y recibiendo sonido entre estas máquinas digitales. De acuerdo con el estandard cliente-servidor TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol), conectamos un servidor y tres clientes. El servidor es una máquina SuperServer 5013G- M de SuperMicro Server Solutions industrial de alta velocidad (Pentium IV 4 GHz.). En cuanto a los clientes son computadoras personales con hardware y software estándard. El sistema operativo Linux del servidor proporciona los servicios necesarios que requiere el procesamiento do sonido y de video. En los clientes se corrieron los programas que escribimos como programas de prueba y algunos programas comerciales como F inale y Cakewalk en Win32, o bien, RoseGarden y otros sobre Linux. Por otra parte, nuestro Instituto Politécnico Nacional cuenta con una super computadora Origin Silicon Graphics de alta velocidad y un closter de computadoras también de alta velocidad. Ambos sistemas se encuentran en el corazón de la red del instituto y los hemos aprovechado para colocar, en un sitio experimental, nuestros archivos de sonido, los cuales se fueron transfiriendo durante el desarrollo del proyecto. De esta forma hemos comprobado que el sistema de comunicaciones de la red ha permitido realizar los experimentos con los resultados que nos hemos propuesto. Cuando se empieza a construir una nueva computadora digital es necesario contar con un sistema interactivo de comunicaciones entre el diseñador y el nuevo sistema digital. Dicho sistema generalmente es una terminal tonta. Nosotros construimos este sistema, minicom, modificando una computadora PC estándard con su sistama operativo adaptado para este trabajo. Quitamos todo lo que no se necesita y dejamos sólo las partes de hardware y software necesarias para que cumplieran nuestros requerimientos. Lo anterior fue un ejercicio para construir sistemas digitales de propósito específico, los cuales se conocen como sistemas incrustados, sistemas embedidos (embeded systems). La idea es construir una red de sistemas especializados que generen un sonido independiente en cada computadora digital. Estos sistemas son los clientes incrustados, los cuales serán conectados a nuestro servidor de audio mediante una red de alta velocidad. 3. Resultados Hoy en día han surgido nuevas herramientas de desarrollo de software que facilitan la programación distribuida sobre Internet II. La programación WEB constituyen dichas herramientas con las cuales se genera código para una máquina virtual que viene siendo toda la infraestructura de la WEB. Es decir, el código objeto que generan los compiladores intérpretes es un estándard que será ejecutado por cualquier máquina real que se encuentre conectada a la red de cuerdo con los requerimientos de la aplicación. Para la programación WEB empleamos Visual Studio.NET, un medio ambiente de desarollo que constituye una nueva familia de compiladores C, C++, C#. También utilizamos Linux con sus ambientes de desarrollo equivalentes. Con ellos estudiamos la interactividad con la WEB utilizando las computadoras WEB del IPN y realizando una conexión, via internet, con nuestras computadoras situadas en el laboratorio de acústica. En este laboratorio realizamos las pruebas y las simulaciones digitales necesarias utilizando las nuevas bibliotecas de software como DirectX y OpenGL, ambas enlazadas 2

3 a C++.NET, C#, Java, y a otras como PHP, PYTON. También utilizamos un lenguaje de simulación, llamado StarLogo, el cual fue desarrollado hace tiempo, pero que nos ha permitido simular eventos paralelos. Adaptado a simular sistemas emergentes (o complejos), nosotros lo utilizamos para estudiar la generación y captura de sonido en tiempo real. En la mayoría de nuestros ejemplos, hemos tratado de utilizar herramientas de software abierto (GNU), lo cual nos permite tener acceso al código fuente y realizar las adaptaciones pertinentes, StarLogo es uno de ellos. En la Figura 1 se muestra el enlace WEB donde se encuentran dos archivos de audio, zacatlan.mid y tiburon.mid con los cuales realizamos la transferencia y ejecución de dichos archivos. Figura 2: Computadora servidor y computadoras clientes del proyecto MAN rrollo distribuido que nos permitieron estudiar el comportamiento básico de los sistemas distribuidos relacionados con el audio. Figura 1: Sitio WEB con los archivos de sonido zacatlan.mid y tiburon.mid La Figura 2 muestra la computadora que utilizamos como servidor. Al lado se pueden ver las computadoras clientes. En una de ellas fue implementado el sistema incrustado minicom. Por otro lado, la Figura 3 muestra los resultados que se obtuvieron durante la realización de dos proyectos de tesis relacionados con nuestro proyecto MAN. Dicho proyecto de tesis consiste en el procesamiento y generación de sonidos que implemantan un sintetizador de música. Para ello se utilizaron las misma herramientas de desa- Figura 3: Desarrollo de un sisntetizador de música como proyectos de tesis surgidos del proyecto MAN 4. Conclusiones Actualmente es posible hacer un tipo de programación, la Programación WEB, que antes era casi imposible de realizar. Con esta nueva tecnología, los sistemas de desarrollo digitales ven a todas las máquinas que se encuantran conectadas a la Red de Internet II como si fuera 3

4 una sola máquina. Esto permite realizar un desarrollo complejo, de una manera hasta cierto punto sencilla, de todos los objetos (hardware y software) que se involucran en una aplicación. La transferencia de datos de sonido en tiempo real sobre la red requiere de mucha programación distribuida que los sistemas de desarrollo como Visual Studio.NET, C#, C++, MONO, UNIX, Linux entre otros, nos han facilitado realizar algunas pruebas que consideramos satisfactorias para nuestro trabajo. Cabe mencionar que para este proyecto solicitamos 230 mil pesos, pero sólo se nos asignaron doce mil pesos. Sin embargo, no obstante estas limitaciones económicas, programamos y probamos muchas de las funciones básicas de red, las cuales se fueron integrando poco a poco en el proyecto. Estas mismas funciones servirán para implementar algunas otras aplicaciones que tenemos pendientes, por ejemplo, la programación de una orquesta virtual, en la cual todos los músicos son componentes de hardware y software conectados entre sí a través de una red de alta velocidad cono es la Internet II. Agradecimientos Agradecemos el apoyo que nos ha proporcinado las autoridades del Instituto Politécnico Nacional, la Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas, la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN. De la misma forma agradecemos a todos nuestros alumnos que han escrito muchas de las funciones primitivas las cuales sirvieron para completar nuestros objetivos. Referencias [1] Escobedo Pedro, Zacatlán, Orq. C. Campos, D.R. 33 rpm, s.f. México. Versión MIDI: M. Peña G., [2] Lombardo John, Embedded Linux, Mew Riders Publishing, [3] Messick Paul, Maximum MIDI: Music Applications in C++, Manning Publications Co., Canada, pgs. [4] Moog Bob., MIDI: Musical Instrument Digital Interface, Journal of the Audio Engeering Society, may 1986, v. 34 No. 5. pp [5] Peña G. M., SEEAM: Sistema de Escritura y Ejecución Automática de Música, Reporte de Proyecto DEPI , Centro Nacional de Cálculo, Centro de Investigación en Computación IPN, [6] Petzold, Charles, Programming in the Key of C#: A primer for Aspiring Programmers, Microasoft.Net, Mc-Graw Hill, [7] Petzold, Charles, Programming Microsoft Windows With C#, Microasoft.Net, Mc- Graw Hill, [8] Phillips, Dave, Linux Music & Sound: How to Install, Configure, and use Linux Audio Software, Linux Journal Press, USA, pgs. [9] Pohlmann Ken C., Principles of Digital Audio, McGraw-Hill, [10] Smith Roderick W., Tux, can you hear me?, Linux Magazine, December 2004, p. 34. [11] Stevens Al., Band-In-A-Box, Finale, & MusicXML, Dr Dobb s Journal, September 2004, p. 52. [12] Stevens Al., MidiRecorder: An Exercise in Code Reuse, Dr Dobb s Journal, January 2005, p. 57. [13] Yuan Feng, Windows Graphics Programming: Win32 GDI and DirectDraw, p. cm. (Hewlett-Packard profesional books), Prentice Hall, USA pgs. 4

5 Acerca de los Investigadores Dr. Maximino Peña Guerrero: ingeniero en comunicaciones y electrónica (ESIME-IPN 1983); maestro en ciencias en ingeniería eléctrica (CINVESTAV-IPN 1987); doctor en ciencia en ingeniería elécttrica (CINVESTAV 2005); Sistema Nacional de Investigadores ( ); profesor investigador del Instituto Politécnico Nacional desde Ing. José de Jesús Negrete Redondo; ingeniero en comunicaciones y electrónica; profesor investigador del Instituto Politécnico Nacional desde Dr. Pablo Roberto Lizana Paulin;ingeniero en comunicaciones y electrónica; Doctor en ciencias de la educación; profesor investigador del Instituto Politécnico Nacional desde