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MULTICAST in INTERNET C.so di laurea in Informatica Reti di Calcolatori II a.a. 2003-2004 Gian Paolo RossiMulticast When you think you have an adequate.

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1 MULTICAST in INTERNET C.so di laurea in Informatica Reti di Calcolatori II a.a Gian Paolo RossiMulticast When you think you have an adequate protocol design, just say the word multicast Dave Clark

2 Multicast - perche ? Applicazioni la disponibilita di una rete multicast-enabled semplifica lo sviluppo delle nuove applicazioni su piattaforma Internet Rete …multicast is a requirement, not an option, if the Internet is going to scale… (rif.IETF) Ottimizza luso di risorse sui link, sui router, sulle stazioni sorgenti,…. Network management Lastrazione di un gruppo di destinazioni in rete consente di gestire con una azione piu apparati di rete Gian Paolo RossiMulticast

3 IETF – Routing Area bgmp Border Gateway Multicast Protocol forces Forwarding and Control Element Separation idmr Inter-Domain Multicast Routing idr Inter-Domain Routing isis IS-IS for IP Internets manet Mobile Ad-hoc Networks mobileip IP Routing for Wireless/Mobile Hosts msdp Multicast Source Discovery Protocol ospf Open Shortest Path First IGP pim Protocol Independent Multicast rip Routing Information Protocol ssm Source-Specific Multicast udlr UniDirectional Link Routing vrrp Virtual Router Redundancy Protocol Gian Paolo RossiMulticast www-irtf.org

4 Multicast - il modello G sender [multicast] [join/leave] receiver una o piu stazioni sorgente che spediscono secondo uno stile IP il sender non conosce la membership di G, ma solo il suo indirizzo multicast join e leave libere da parte dei membri del gruppo specifica da end-system, il modello non dice come la rete fornisce il multicast [RFC 1112] Gian Paolo RossiMulticast

5 Indirizzi Multicast IPv4 Class D 1110 Multicast Group ID bits riservato a riservato routing e protocolli di basso livello per discovery/maintenance della topologia di rete all-hosts group nella subnet all-routers group nella subnet riservato protocollo NTP a dinamicamente assegnati ad applicazioni mcast a riservati per administrative scoping senza TTL Uso del campo TTL (Hop-Limit in IPv6) per definire lo scope del pacchetto multicast Gian Paolo RossiMulticast

6 Architettura per il Multicast IP Reliable multicast protocol Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one IGMP Routing multicast switching TCPUDP Best-effort Multicast API In Linux, il multicast e programmabile attraverso setsockopt () getsockopt () [ftp://www.video.ja.net/mice/mrouted/Linux/] Gian Paolo RossiMulticast

7 Applicazioni 1toM Distribuzione audio/video programmata una o piu sorgenti e richiesta di banda relativamente alta. Spesso piu flussi sono sincronizzati e hanno diverse priorita Push media aggiornamento di informazioni dinamiche quali previsioni meteo, sport, news. Applicazioni drip-feed a banda relativamente limitata Caching contenuti web, file eseguibili, o update di file distribuiti a siti di replicazione o caching Announcements network time, programmi multicast, distribuzione chiavi, configuration updates Monitoring traffico CBR o a burst per rilevazione sensori, quotazione titoli o altri dati RT Gian Paolo RossiMulticast

8 Applicazioni MtoM Conferenza multimediale streaming audio/video e whiteboard. Data stream con diverse priorita e problemi di coordinamento e gestione Sincronizzazione risorse aggiornamento di copie replicate di database Collaborazione e lavoro coordinato workflow e editing di documenti condivisi Chat groups conferenze text-based con possibilita di avatars di ogni speaker in ambiente simulato Distributed Interactive Simulation (DIS) multicast di info descrittive per il rendering distribuito di oggetti di simulazione Giochi distribuiti sostanzialmente DIS con funzioni di chat line [MiMaze su Mbone, Quake] Jam sessions encoded audio condiviso (eg. Musica) Gian Paolo RossiMulticast

9 Applicazioni Mto1 Resource discovery multicast come astrazione dellIP per fornire query con clausola anycast per eleggere lhost in grado di fornire il servizio o quello ad accesso piu vicino Data collection raccolta di dati da un gruppo distribuito di sensori Auctions schema di relazione fra inserzionista e gli interessati che spediscono la proposta di acquisto Gian Paolo RossiMulticast

10 Requisiti di banda Push media caching distribuzione a/v announcements monitoring Resource discovery data collection auctions Chat group collaboration conferencing sincronizzazione risorse DIS giochi distribuiti jam sessions MtoM Mto1 1toM limitata media alta banda Gian Paolo RossiMulticast

11 Tolleranza sul ritardo monitoring distribuzione a/v Push media announcements caching data collection auctions Resource discovery DIS Chat group conferencing sincronizzazione risorse jam sessions collaboration giochi distribuiti distance learning MtoM Mto1 1toM limitata media alta delay tolerance Gian Paolo RossiMulticast

12 Applicazioni multicast Infrastruttura di rete multicast-enabled Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one Active Theatre - EMULive Imaging ICAST Broadcaster/Recorder CU-seeMe - White Pine Precept IP/TV e StreamWatch Gian Paolo RossiMulticast

13 Applicazioni multicast Infrastruttura di rete multicast-enabled Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one Proshare - Intel RealAudio/Video/Server - RealNetw. ShowMe TV - SUN NetMeeting - Microsoft StarBurst Omnicast Gian Paolo RossiMulticast

14 Arrivano le appliancies (accadeva nel 2001…) Ad esempio: arriva la Internet Radio. Suono digitale in formato MP3, modem per ISDN o commutata, piattaforma RealNetworks G2, circa 300$ Kerbango.com e AudioRamp.com per suonare MP3: Winamp per conversione, player Adaptec EasyCD Gian Paolo RossiMulticast

15 Sicurezza Le applicazioni multicast non differiscono da quelle unicast per le loro esigenze in termini di sicurezza: autenticazione utente, data integrity, data e user privacy. Inoltre, i requisiti includono: controllo di CHI puo spedire ad un gruppo controllo di CHI puo ricevere assicurare che il dato generato da un utente autenticato non sia alterato controllare se sender o altri receiver conoscono lidentita dei receiver QUANDO, COME e a CHI distribuire le chiavi QUANDO, COME e PERCHE le chiavi sono revocate Secure Multicast Research Group (SMUG) IRTF ftp://ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-aft-mcast-fw-traversal-01.txt - SOCK v5 - Group Key Mngt. Gian Paolo RossiMulticast

16 Architettura per il Multicast IP Reliable multicast protocol Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one IGMP Routing multicast switching UDPTCP QoS e CoS RTPRTCP RSVP RTSP Manage ment Gian Paolo RossiMulticast

17 Reliable multicast Caching distribuzione a/v push media monitoring data collection auctions polling Collaboration conferencing sincronizzazione risorse chat group DIS giochi MtoM Mto1 1toM limitata media alta loss tolerance Gian Paolo RossiMulticast

18 Reliable Multicast problemi simili a quelli dovuti a receiver eterogenei per raccolta NACKs possibilita di graduare loss-rate in funzione dei requisiti soluzioni proprietarie in commercio - non esiste uno standard requisiti diversi sullordine di consegna scalabilita burstiness dei dati, delay tolerance, real-time standardizzazione di diversi protocolli per soddisfare diversi requisiti focus attuale dellIRTF su controllo congestione RFC 2357 IETF criteria for evaluating Reliable Multicast Transport and Application Protocols ReliableMulticastResearchGroup RMRG IRTF, M.Handley e A.Mankin (USC/ISI); - confronto fra diversi protocolli research.ivv.nasa.gov/RMP/links.html - reliable multicast links Gian Paolo RossiMulticast

19 Problema del feedback La presenza di receiver eterogenei richiede spesso di adottare tecniche di controllo sul flusso dei dati trasferiti. Luso di UDP impone la gestione del controllo del canale a livello applicativo. Il risultato per le applicazioni a/v puo essere migliore attraverso luso di tecniche di encoding a livelli o separazione dei flussi Nel caso di gruppi numerosi limplosione dei feedback sulla sorgente va controllata. shared learning con uso di timer local recovery sfruttando scope o TTL Gian Paolo RossiMulticast

20 Reliable Multicast GlobalCast Reliable Multicast - e-cast Reliable Multicast software - StarBurst Multicast - inoltre, alcune applicazioni: THE BOX, ToysR US, GM Gian Paolo RossiMulticast

21 MFTP Multicast File Transfer Protocol Blocco 1Blocco 2Blocco 3Blocco 4 File sourcereceiver ack/nack Blocco 1Blocco 2Blocco 3Blocco 4 sourcereceiver Pass 1 Pass 2 Blocco1 frame 251 Blocco 4 frame 37 Blocco 2 frame 288 Blocco 2 frame 295 Blocco 4 frame 185 Gian Paolo RossiMulticast

22 RTP, RTCP e RTSP IP Reliable multicast protocol Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one IGMP Routing multicast switching UDP RTPRTCP RSVP RTSP Manage ment RTPRTCP RTSP Gian Paolo RossiMulticast

23 RTP RTP fornisce un servizio end-to-end di consegna dati ad un gruppo di receiver in modo da rispettare in ricezione il formato ed il timing tipico di trasmissioni stream-based. Si appoggia ad UDP per le funzioni tipiche di trasporto. Ogni medium di una sessione multimediale viaggia su una sessione RTP separata. RTP Sender Receiver N A B router mixtrsl [translator e mixer] Payload type timestamp sequencemarker Source-ID [RFC 1889] Gian Paolo RossiMulticast

24 RTCP RTCP e il protocollo che controlla il trasferimento dati su una sessione RTP. RTCP e attivo anche in assenza di traffico dati. Definisce 5 tipi di pacchetto: sender report, receiver report, source description, bye, app. Il protocollo svolge le seguenti 3 funzioni principali: Feedback alla applicazione - report statistici sono generati sia dalle stazioni sender che receiver per fornire alla applicazione informazioni sulla qualita della trasmissione Identificazione della sorgente RTP - RTCP trasferisce il nome canonical (CNAME) di ogni partecipante per membership e per identificare flussi dalla stessa sorgente su diverse sessioni RTP Controllo trasmissione RTCP - il traffico di controllo RTCP viene adattato in funzione del traffico di sessione e del #partecipanti [RFC 1889] Gian Paolo RossiMulticast

25 RTP-RTCP applicazione RTP/RTCP Playback buffer applicazione RTP/RTCP Playback buffer Piu flussi RTP, possono essere integrati in ricezione usando le informazioni contenute nellheader RTP e usando un buffer di dimensioni opportune per compensare i problemi di rete. Il controllo RTCP mantiene la membership di gruppo e consente di monitorare i singoli media. Un ricevente puo decidere di selezionare un solo medium in funzione delle risorse di cui dispone. Internet Gian Paolo RossiMulticast

26 RTP/RTCP Usano porte UDP contigue, #pari RTP e dispari superiore RTCP RTP v2 e maturo per supportare la maggior parte di payload mediali Alcuni tool di network monitoring possono non parsare ancora RTP Vendors/prodotti che utilizzano RTP/RTCP: esempi MS NetShow, Precept IP/TV, QuickTime TV Apple, vic e vat (public domain di MBone), ICAST Broadcaster e Viewer, RealAudio/Video/Media, UCL Robust-Audio Tool (RAT) Precept StreamWatch - consente di configurare viewer per diversi stream allo scopo di monitoraggio e management Gian Paolo RossiMulticast

27 RTSP RTSP fornisce il controllo remoto di server multimediali. Definisce il framework per ricevere uno o piu media, anche da server diversi, ma si appoggia a RTP per il trasporto e la consegna dei diversi stream. Web Browser Media Player Media Server Web Server HTTP GET session description SET UP PLAY RTP audio/video-RTCP PAUSE TEARDOWN Gian Paolo RossiMulticast

28 RTSP Ogni media stream e identificato da un RTSP URL che puo identificare server diversi. Il server mantiene un identificatore per ogni sessione e, poiche lo stream di fatto viaggia con un protocollo separato, il server deve anche mantenere un session state per associare la sessione RTSP con un dato stream. Il client puo contemporaneamente aprire sessioni con altri media server. Gian Paolo RossiMulticast

29 SDP Session Management IP UDPRSVPTCP SAPSIP SCCP CCCP Conference Setup&Discovery Conference Control MultipartyMultimediaSessionControl WG-IETF (MMUSIC) Gian Paolo RossiMulticast

30 Session Management SDP fornisce un formato per descrivere una sessione di conferenza. Si appoggia ad altri protocolli per la diffusione della descrizione SDP, V.Jacobson, M.Handley, draft-ietf-mmusic-sdp-04.txt, SAP diffonde periodicamente i descrittori di conferenza allindirizzo multicast , UDP port 9875 SAP, draft-ietf-mmusic-sap-01.txt, 1998 SIP e utilizzato per invitare persone o media-server ad una conferenza SIP, E.Shooler, M.Handley, draft-ietf-mmusic-sip-04.txt, 1997 SCCP fornisce application e membership control, floor e network management in sessioni con moderatore designato che deve dare permesso di join ad un nuovo membro SCCP, draft-ietf-mmusic-sccp-03.txt, 1998 Gian Paolo RossiMulticast

31 Session Management sdr - University College of London, piattaforma UNIX, basato su SDP mice.ed.ac.uk/mice/archive/sdr.html mmcc - USC Information Science Institute, piattaforma UNIX, serve ad orchestrare sessioni multipunto di teleconferenza con distribuzione chiavi in sessioni confidenziali, precedente a sdr mice.ed.ac.uk/mice/archive/mmcc.html multikit - Live Networks, Inc., piattaforma UNIX e Windows95+, e di base un browser SDP con la caratteristica di supportare viste posizionali di una directory (ogni entry della directory puo essere collocata a specifiche coordinate dello schermo per creare mappe attive) Gian Paolo RossiMulticast

32 Multicast Routing e LAN Switching IP Reliable multicast protocol Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one IGMP Routing multicast switching UDP RTPRTCP RSVP RTSP Manage ment TCP switching Gian Paolo RossiMulticast

33 IGMP v1 LAN 1 LAN 2 Group member router LAN 3 Group member router Group member router IGMP query IGMP query (TTL=1, all-host group) IGMP report IGMP report IGMP routing update Un router non deve conoscere la membership. E sufficiente conoscere lesistenza di un membro di gruppo [in IPv6 le funzioni di IGMP sono incorporate in ICMP] Gian Paolo RossiMulticast

34 Pruning router Group Member Group Member Group Member IGMP query Gian Paolo RossiMulticast

35 IGMP v2 IGMP v2 introduce una procedura di elezione del router querier per ogni LAN. In v1 veniva eletto dal protocollo di routing con politiche spesso diverse. Group-Specific Query - introdotto per consentire queries da parte di un router ad un gruppo specifico e non allindirizzo all-host sulla subnet ( ). Leave-Group - introdotto per ridurre la latenza di leave. Viene inoltrato al gruppo all-routers ( ) Quando un router riceve un messaggio di Leave-Group, utilizza il messaggio Group-Specific Query per verificare se si trattava dellultimo membro del gruppo. IGMP, Version 1, RFC 1112; IGMP, Version 2, RFC 2236; IGMP, Version 3, draft-ietf-idmr-igmp-v3-03.txt, feb.1999 Gian Paolo RossiMulticast

36 Multicast LAN Switching Multicast Packet switch LAN 1 LAN 2 Group member router Gian Paolo RossiMulticast

37 IGMP Snooping switch LAN 1 LAN 2 Group member router Multicast Packet IGMP Report Snooping di query/report IGMP e di pacchetti di routing per id.le porte del router. Upgrade graduale. Gian Paolo RossiMulticast

38 GMRP - Layer 2 Switching Multicast Packet switch LAN 1 LAN 2 Group member router GMRP Report GMRP-capable NIC driver IEEE 802.1p servizi per Traffic Class (CoS) e Multicast Filtering IEEE 802.1Q std. che definisce estensioni alla frame Ethernet per propagare attraverso le reti VLAN info Tabella e filtri Gian Paolo RossiMulticast

39 Mapping di Indirizzi Multicast Low-order 23 bit del multicast addr. copiato nellEthernet addr. unused IP address Class D 48-bit Ethernet Address Indirizzi IP-multicast in Classe D, liberi da a Lo IANA ha assegnato una porzione di 23 (LO) bit nel IEEE-802 MAC multicast address space. Tutti gli indirizzi Ethernet nello spazio IANA iniziano con E (hex). Gian Paolo RossiMulticast

40 Multicast Routing IP Reliable multicast protocol Applicazioni one-to-many Applicazioni many-to-many Applicazioni many-to-one IGMP Routing multicast switching UDP RTPRTCP RSVP RTSP Manage ment TCP switching Gian Paolo RossiMulticast

41 Protocolli di Multicast Routing Ogni protocollo per il multicast costruisce un albero di consegna. Lalbero collega i router che hanno riceventi per un dato gruppo nelle sottoreti one-hop. Due sono gli approcci possibili: Protocolli Dense Mode - costruiscono lalbero dei cammini minimi che collega la/e sorgente/i di traffico multicast a tutti i riceventi del gruppo. A questa categoria appartengono i protocolli DVMRP, MOSPF, PIM-DM Protocolli Sparse Mode - costruiscono un albero condiviso da tutte le sorgenti che collega un nodo core, radice dellalbero, a tutte le destinazioni di un gruppo. A questa categoria appartengono i protocolli CBT, PIM-SM Gian Paolo RossiMulticast

42 Dense Mode Reverse Path Multicasting router Group Member Group Member Group Member router sorgente FLOOD router & PRUNE Gian Paolo RossiMulticast

43 Dense Mode router Group Member Group Member Group Member router sorgente router Group Member Group Member Group Member router sorgente Reverse Path Multicasting Soft-state con flooding periodico Gian Paolo RossiMulticast

44 Dense Mode Progettato pensando a sottoreti con elevata densita di Group Members Non adatto a membership sparse Difficolta a scalare e uso inefficiente di banda per via del flooding Costo elevato sui router nel caso di molti gruppi e molte sorgenti Buona distribuzione del carico multicast sulla rete Periodi di inconsistenza in funzione del tempo di refresh dellalbero Gian Paolo RossiMulticast

45 Shared Tree router Group Member Group Member Group Member router core router router Group Member Group Member Group Member router sorgente Rete di connessione Rete di connessione Multicast incapsulato in pacchetti unicast Gian Paolo RossiMulticast

46 Shared Tree Migliore scalabilita rispetto a Dense Mode. Solo i router sullalbero mantengono uno stato Explicit join sul core rende il protocollo piu efficiente Puo usare flooding per il controllo, ma i dati sono instradati sullalbero Collo di bottiglia sul nodo core che e anche possibile point-of-failure Elezione core con Auto-RP (PIM) o al bootstrap Il cammino fra sorgente e destinazioni puo non essere ottimo Gian Paolo RossiMulticast

47 DVMRP CARATTERISTICHE Il primo protocollo di routing multicast Incorpora il protocollo unicast distance-vector Dense-Mode Implicit-join DEPLOYMENT Il protocollo piu implementato e disponibile Usato in Mbone, grande esperienza e sperimentazione Supporta tunneling Il candidato ideale per le prime esperienze di test-bed Improbabile implementazione in IPv6 Ogni router, anche quelli pruned, mantiene uno stato sullalbero di distribuzione [RFC 1075] Gian Paolo RossiMulticast

48 MOSPF CARATTERISTICHE Estensione multicast del protocollo OSPF Crea alberi shortest path di distribuzione centrati sulla sorgente Eredita da OSPF la buona scalabilita e adattivita Piu adatto a routing in Dense-Mode Esplicit-join DEPLOYMENT Il protocollo puo operare in domini di routing OSPF Adatto a casi con poche coppie (sorgente,gruppo) contemporanee Non supporta tunneling Meno implementazioni rispetto a DVMRP Sara disponibile anche con IPv6 [RFC 1584] Gian Paolo RossiMulticast

49 PIM-SM CARATTERISTICHE Indipendente dal protocollo unicast Shared tree con rendez-vous point Il flusso di distribuzione e unidirezionale (da RP) Si puo convertire in source-based con explicit join Sparse-Mode Explicit-join DEPLOYMENT Il protocollo e installabile in congiunzione a qualsiasi protocollo unicast Adatto alluso su WAN, anche se le prime esperienze sono state fatte su LAN Puo essere portato a IPV6 PIM sparse-dense-mode specificati per regioni separate [RFC 2117] Gian Paolo RossiMulticast

50 MBone Multicast-enabled network Tunnel unicast Multicast-capable router (mrouted) DVMRP The multicast backbone, H.Eriksson, CACM, Vol.8, 1994 Gian Paolo RossiMulticast

51 Inter-Domain Routing MBone e stato il piu importante test-bed multicast, ha consentito lo sviluppo di competenze sul multicast ed ha favorito lo sviluppo di numerosi prodotti sw (freeware) per applicazioni audio/video su piattaforma IP. In circa 7 anni, nel 1997, MBone ha raggiunto 3500 sottoreti connesse sparse su 25 nazioni. Non e piu possibile continuare a considerarlo flat dal punto di vista del routing. In piu, DVMRP non e in grado di scalare su una topologia sparsa e diventa sempre piu complessa la gestione dei tunnel MBone. E necessario definire protocolli di inter-domain multicast per il breve-medio e lungo termine. Gian Paolo RossiMulticast

52 PIM-SM/BGP4+/MSDP Intra-Domain network Intra-Domain network Intra-Domain network Intra-Domain network MBGP fornisce il next-hop router PIM-SM costruisce lalbero multicast MBGP-capable border router [RFC 2283 per BGP4] Gian Paolo RossiMulticast

53 PIM-SM/BGP4+/MSDP RP Dominio A Dominio B connessione MBGP Le sorgenti si registrano su RP del proprio dominio. I receiver spediscono JOIN a RP nel loro dominio Non ce modo per i receiver nel dominio A di conoscere le sorgenti del dominio B Ce il problema di connettere gruppi distribuiti in molti domini sparse-mode Gian Paolo RossiMulticast

54 Multicast Source Discovery Protocol RP/MSDP S albero RP/MSDP albero RP/MSDP albero RP/MSDP albero 1. S si registra presso RP di dominio 2. MSDP peer nel dominio conosce S e spedisce SA a tutti i peer one-hop 3. Ricevuto SA, si esegue il check di correct path e il peer RPF flooding 4. Se esistono receiver per il gruppo nel dominio, RP spedisce una PIM join alla sorgente MBGP fra domini Gian Paolo RossiMulticast

55 PIM-SM/BGP4+/MSDP MSDP e una soluzione di breve/medio termine. 1. Ha problemi prestazionali con gruppi dinamici (problema della latenza di join) e con sorgenti che generano traffico a burst (p.e. sdr) 2. Ha problemi di scalabilita per via dei pacchetti SA diffusi in rete su TCP (anche UDP) Le soluzioni di lungo termine sono allo studio in IETF. Fra queste: MASC/BGMP - S. Kumar e altri, ACM Sigcomm 98 Express Multicast - D.Cheriton, ACM Sigcomm 99 Simple Multicast - T. Ballardie e altri, TR April 99, Univ.College London Gian Paolo RossiMulticast

56 Inter-Domain Routing Sperimentazioni vBNS - attiva dal 1993, lunica ad avere una tratta OC48 C in produzione (SFO-LA) juniper M40 e Fore ASX 1000 per OC12 C Abilene - TEN supporta anche multicast con PIM-SM, MSDP e MBGP con clouds DVMRP non comprende lItalia per il multicast CA*net - Progetto Canadese da 60 M $ con finalita simili a vBNS e Abilene Gian Paolo RossiMulticast

57 Requisiti al Desktop OS TCP/IP stack Lo stack TCP/IP deve supportare lestensione multicast. MS Windows 95, NT, Linux e UNIX lo supportano. IP multicast patches per SunOS 4.1+, Solaris 2.3+, DEC OSF V2+ in: Supporto IGMP Windows 95 e NT 3.5/4.0 supportano IGMP v1. La versione IGMP v2 di molti routers e backward compatibile Supporto multicast su schede NIC (esempi) 3Com Fast EtherLink XL NIC [ ] G-NIC Gigabit Ethernet NIC di Packet Engines Inc. - Gian Paolo RossiMulticast


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