MULTICAST in INTERNET

1
MULTICAST in INTERNET
C.so di laurea in Informatica Reti di
Calcolatori IIa.a. 2003-2004
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
3
IETF Routing Area
www.ietf.org
www-irtf.org www.ipmulticast.com
4
Multicast - il modello
RFC 1112
receiver
join/leave
multicast
sender
G
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
5
Indirizzi Multicast
0 1 2 3
31
IPv4 Class D 1110
Multicast Group ID
28 bits
Uso del campo TTL (Hop-Limit in IPv6) per
definire lo scope del pacchetto multicast
224.0.0.0 - riservato 224.0.0.1 a 224.0.0.255
riservato routing e protocolli di basso
livello per discovery/maintenance della
topologia di rete 224.0.0.1 all-hosts group
nella subnet 224.0.0.2 all-routers group nella
subnet 224.0.1.1 riservato protocollo
NTP 224.0.1.0 a 238.255.255.255 dinamicamente
assegnati ad applicazioni mcast 239.0.0.0 a
239.255.255.255 riservati per administrative
scoping senza TTL
6
Architettura per il Multicast
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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 netw
ork time, programmi multicast, distribuzione
chiavi, configuration updates Monitoring traffico
CBR o a burst per rilevazione sensori,
quotazione titoli o altri dati RT
8
Applicazioni MtoM
Conferenza multimediale streaming audio/video e
whiteboard. Data stream con diverse priorita e
problemi di coordinamento e gestione Sincronizzazi
one 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)
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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
10
Requisiti di banda
Push media
caching
distribuzione a/v announcements
monitoring
1toM
Resource discovery data
collection auctions
auctions
Mto1
Chat group
collaboration
conferencing
sincronizzazione risorse
DIS giochi distribuiti

jam sessions
MtoM
limitata
media alta

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

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Applicazioni multicast
Active Theatre - EMULive Imaging
ICAST Broadcaster/Recorder
CU-seeMe - White Pine
Precept IP/TV e StreamWatch
Applicazioni one-to-many
Applicazioni many-to-many
Applicazioni many-to-one
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Applicazioni multicast
Proshare - Intel
RealAudio/Video/Server - RealNetw.
ShowMe TV - SUN
NetMeeting - Microsoft
StarBurst Omnicast
Applicazioni one-to-many
Applicazioni many-to-many
Applicazioni many-to-one
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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
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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 http//www.ipmulticast.com/community/smug/ ft
p//ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-aft-mcast-
fw-traversal-01.txt - SOCK v5 http//www.epm.ornl.
gov/tildedunigan/gkm.html - Group Key Mngt.
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Architettura per il Multicast
QoS e CoS
Applicazioni one-to-many
Applicazioni many-to-many
Applicazioni many-to-one
Manage ment
RTSP
Reliable multicast protocol
RTP
RTCP
UDP
TCP
RSVP
IP
IGMP
Routing multicast
switching
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Reliable multicast
Caching
distribuzione a/v push
media monitoring
1toM

data collection auctions
polling
Mto1
Collaboration conferencing sincronizzazione
risorse chat group
DIS
giochi



MtoM
loss tolerance
limitata
media alta

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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 standardizzaz
ione 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) www.tascnet
s.com/mist/doc/mcpCompare.html - confronto fra
diversi protocolli research.ivv.nasa.gov/RMP/links
.html - reliable multicast links
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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

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Reliable Multicast
GlobalCast Reliable Multicast -
www.gcast.com e-cast Reliable Multicast software
- www.lucent.com StarBurst Multicast -
www.starburstcom.com inoltre, www.tibco.com,
www.probita.com alcune applicazioni THE BOX,
ToysR US, GM
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MFTP
Multicast File Transfer Protocol
Pass 1
File
Blocco 1
Blocco 2
Blocco 3
Blocco 4
source
receiver
ack/nack
ack/nack
ack/nack
ack/nack
Pass 2
Blocco 1
Blocco 2
Blocco 3
Blocco 4
source
receiver
Blocco1 frame 251
Blocco 4 frame 37
Blocco 2 frame 288
Blocco 2 frame 295
Blocco 4 frame 185
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RTP, RTCP e RTSP
23
RTP
RFC 1889
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.
timestamp
Payload type
Source-ID
sequence
marker
Sender

Receiver N
RTP
RTP
router
mix
trsl
A B
translator e mixer
24
RTCP
RFC 1889
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 informazion
i sulla qualita della trasmissione Identificazio
ne 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
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RTP-RTCP
applicazione
applicazione
Playback buffer
Playback buffer
RTP/RTCP
RTP/RTCP
Internet

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.
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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
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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.
HTTP GET
Web Browser
Web Server
session description
SET UP
Media Player
Media Server
PLAY
RTP audio/video-RTCP
PAUSE
TEARDOWN
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RTSP
ltsessiongt ltgroupgt lttrack srcrtsp//audio.mtv.
com/moviegt lttrack srcrtsp//video.mtv.com/mov
iegt lt/groupgt lt/sessiongt
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.
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Session Management
MultipartyMultimediaSessionControl WG-IETF
(MMUSIC)
Conference SetupDiscovery
Conference Control
SDP
SCCP CCCP
SAP
SIP
UDP
RSVP
TCP
IP
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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, 1997. SAP diffonde
periodicamente i descrittori di conferenza
allindirizzo multicast 224.2.127.254, 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
31
Session Management
sdr - University College of London , piattaforma
UNIX, basato su SDP mice.ed.ac.uk/mice/ar
chive/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)
www.lvn.com/multikit
32
Multicast Routing e LAN Switching
33
IGMP v1
in IPv6 le funzioni di IGMP sono incorporate in
ICMP
Un router non deve conoscere la membership. E
sufficiente conoscere lesistenza di un membro di
gruppo
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Pruning
router
router
router
router
router
router
IGMP query
Group Member
Group Member
Group Member
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 (224.0.0.1). Leave-Group -
introdotto per ridurre la latenza di leave. Viene
inoltrato al gruppo all-routers
(224.0.0.2) 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
36
Multicast LAN Switching
37
IGMP Snooping
Snooping di query/report IGMP e di pacchetti di
routing per id.le porte del router. Upgrade
graduale.
38
GMRP - Layer 2 Switching
Tabella e filtri
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
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Mapping di Indirizzi Multicast
Indirizzi IP-multicast in Classe D, liberi da
224.0.1.0 a 239.255.255.255. 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 01-00-5E
(hex).
0 7 8 15 23
31
IP address Class D
1110
Low-order 23 bit del multicast addr. copiato
nellEthernet addr.
unused
00000000
01011110
0
00000001
48-bit Ethernet Address
40
Multicast Routing
Applicazioni one-to-many
Applicazioni many-to-many
Applicazioni many-to-one
Manage ment
RTSP
Reliable multicast protocol
RTP
RTCP
RSVP
UDP
TCP
IP
IGMP
Routing multicast
switching
switching
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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
42
Dense Mode
Reverse Path Multicasting
router
sorgente
sorgente
router
router
router
router
router
router
router
Group Member
Group Member
Group Member
43
Dense Mode
Reverse Path Multicasting
Soft-state con flooding periodico
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
45
Shared Tree
Rete di connessione
Rete di connessione
router
core router
sorgente
sorgente
router
router
router
router
router
router
Multicast incapsulato in pacchetti unicast
router
router
router
router
router
router
router
Group Member
Group Member
Group Member
Group Member
Group Member
Group Member
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
47
DVMRP
RFC 1075
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
48
MOSPF
RFC 1584
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
49
PIM-SM
RFC 2117
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
50
MBone
Multicast-capable router (mrouted) DVMRP
Multicast-enabled network
Tunnel unicast
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.
52
PIM-SM/BGP4/MSDP
RFC 2283 per BGP4
MBGP fornisce il next-hop router
Intra-Domain network
Intra-Domain network
PIM-SM costruisce lalbero multicast
Intra-Domain network
Intra-Domain network
MBGP-capable border router
53
PIM-SM/BGP4/MSDP
Ce il problema di connettere gruppi distribuiti
in molti domini sparse-mode
Dominio A
Non ce modo per i receiver nel dominio A di
conoscere le sorgenti del dominio B
RP
connessione MBGP
RP
Le sorgenti si registrano su RP del proprio
dominio. I receiver spediscono JOIN a RP nel
loro dominio
Dominio B
54
Multicast Source Discovery Protocol
2. MSDP peer nel dominio conosce S e spedisce SA
a tutti i peer one-hop
1. S si registra presso RP di dominio
RP/MSDP
RP/MSDP


S
albero
albero
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
RP/MSDP
RP/MSDP


albero
albero
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
56
Inter-Domain RoutingSperimentazioni
www.internet2.edu/multicast/ vBNS -
www.vbns.org/ attiva dal 1993, lunica ad avere
una tratta OC48 C in produzione (SFO-LA) juniper
M40 e Fore ASX 1000 per OC12 C Abilene -
www.ucaid.edu/abilene/ TEN155 -
www.dante.net/ten155 supporta anche multicast con
PIM-SM, MSDP e MBGP con clouds DVMRP non
comprende lItalia per il multicast CAnet -
www.canet3.net Progetto Canadese da 60 M con
finalita simili a vBNS e Abilene
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 http//www.starburstcom.com/patches/mcastres.h
tm 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 www.3com.com/products/dsheets/4
00250.html G-NIC Gigabit Ethernet NIC di Packet
Engines Inc. reckles_at_packetengines.com -
www.packetengines.com