ZXR10_Ⅲ_07_200904 组播原理与配置

ZXR10_Ⅲ_07_200904 组播原理与配置
课程目标：
●掌握组播的概念
●掌握组播IP、MAC地址结构
●掌握反向路径转发和组播转发树
●掌握组播的几种协议（IGMP、PIM-SM）
参考资料：
●ZXR10路由器以太网交换机命令手册
●ZXR10 路由器用户手册
●ZXR10 以太网交换机用户手册
目录
第1章组播原理与实现 (1)
1.1 组播基础 (1)
1.1.1 组播的定义 (1)
1.1.2 组播的应用环境 (3)
1.2 组播IP、MAC地址的结构 (4)
1.2.1 组播IP地址的结构 (4)
1.2.2 组播MAC地址的结构 (5)
1.3 组播特点 (6)
1.4 逆向路径转发 (6)
1.5 组播转发树 (7)
1.5.1 源树 (8)
1.5.2 共享树 (8)
1.5.3 比较源树和共享树 (9)
1.6 组播协议体系 (9)
1.7 IGMP协议 (10)
1.7.1 IGMPv2的消息格式 (11)
1.7.2 路由器与主机之间的IGMPv2交互 (12)
1.7.3 查询器 (12)
1.7.4 报告消息抑制 (13)
1.8 IGMP SNOOPING (14)
1.9 PIM (15)
1.9.1 PIM-DM (15)
1.9.2 PIM稀疏模式 (18)
1.10 本章总结 (28)
i
第1章组播原理与实现
知识点
●组播的概念
●组播IP、MAC地址结构
●反向路径转发和组播转发树
●组播的几种协议（IGMP、PIM-SM）
●组播协议的基本配置
1.1 组播基础
1.1.1 组播的定义
图1.1- 1 ip网络通信方式
IP网络的三种基本的通信方式分别是：单播、广播、组播。

单播是一种点到点的通信方式，它要求在发送者和每一接收者之间实现点对点网
络连接。

广播是一种点到所有点的通信，如果在IP子网内广播数据包，不论子网内部主机
是否愿意接收该数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。

广播的使
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用范围非常小，只在本地子网内有效，通过路由器和交换机网络设备控制广播传
输。

组播介于单播和广播之间，属于点对多点通信方式。

当主机向一组主机发送信息，
存在于某个组的所有主机都可以接收到信息。

广播和组播都能实现点到多点的通信，但是二者还是存在显著区别的：广播方式
时主机是被动的接收者，而组播方式则需要主机有选择的权利，只有当主机加入
组时，组播数据才会发给主机。

图1.1- 2 单播与组播
单播方式也可以实现点到多点的通信，但是它是通过建立多个点对点的连接来达
到点对多点的通信目的的。

这种方式将在源点与各个接收点建立连接，从服务器
开始，就将有多份数据流分别流向分散的接收点。

这种方式将加重服务器的负荷，
对服务器性能的要求很高；同时还在网络中造成大流量，消耗带宽资源，导致网
络拥塞。

组播则不然，发送方仅发一份数据包，此后数据包只是在需要复制分发的地方才
会被复制分发，每一网段中都将保持只有一份数据流。

这样就可以减轻服务器的
负担，节省网络带宽。

第1章 组播原理与实现
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图1.1- 3 单播与组播比较
1.1.2 组播的应用环境
随着宽带多媒体网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷。

IPTV 、视频会议、
多媒体远程教育、视频点播、网络音频等组播应用将会给我们的生活带来更多的
便利和乐趣。

◆ IPTV 网络电视
IPTV 网络电视业务和传统电视业务类似。

不同之处是电视节目的接收端不再是我
们传统的电视机，而是电脑或机顶盒加电视机。

网络节目的传输不是使用传统的
HFC 网络，而是使用Internet 。

IPTV 网络电视与传统电视相比，优势在于电视频
道数量的极大丰富，电视节目的覆盖区域的扩大，电视台运营成本的下降。

◆ IP 会议电视
IP 会议电视业务是在利用电视、计算机技术及设备，通过通信网络在两地或多地
之间召开会议的一种可视通信业务。

出席会议的人员通过会议电视系统，既可以
听到对方的声音，又可以在屏幕上看到与会者的形象动作，还可以通过控制系统，
传送图表，文件等资料，如同面对面的交流。

IP 会议电视业务和传统会议电视业
务类似。

不同之处是IP 会议电视传输不再是使用会议电视专用网络，而是使用了
Internet 。

IP 会议电视与传统会议电视相比，优势在于会议电视Channel 数量的极
大丰富，会议电视的覆盖区域的扩大，线路速率没有了64kbit/s 、128kbit/s 和
384kbit/s 、2.048Mbit/s 、6Mbit/s 的速率限制，会议电视的运营成本的下降。

◆ 多媒体远程教育
多媒体远程教育组播业务是在利用电视、计算机技术及设备，通过多媒体通信网
络在两地或多地之间进行培训和教育的一种可视通信业务。

参加学习的人员通过
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网上课室系统，既可以听到老师的声音，又可以在屏幕上看到老师的形象动作，
还可以通过控制系统，传送图表，文件等学习资料，如同与老师面对面的交流。

IP 网上课室组播和传统网上课室类似。

不同之处是IP 网上课室组播使用了
Internet 组播功能。

IP 网上课室与传统的网上课室相比，优势在于通过组播技术，
骨干网上网络流量大减，网络课室的覆盖区域的扩大，网络教育科目的极大丰富，
网上教育的运营成本的下降。

◆ 视频点播
IP 组播受欢迎的一个应用领域就是在不消耗很多带宽的情况下对视频和音频的实
时数据传送。

比如说视频点播，用户选择相应的频道（加入不同的组播组），就可
以接收到感兴趣的节目，这种互动的方式一举改变了传统的视频的弊端——只能
被动的接收，不能主动的选择。

1.2 组播IP 、MAC 地址的结构
1.2.1 组播IP 地址的结构
图1.2- 1 组播IP 地址范围
众所周知，IP 地址可分为A 、B 、C 、D 、E 五类。

IANA （互联网编号授权委员会）
把D 类地址空间分配给IP 组播。

D 类地址都以0x1110开始，即IP 组播地址的范
围从224.0.0.0到239.255.255.255。

并不是所有的D 类地址都可以分配给用户，IANA 预留了两个地址范围：
224.0.0.0～224.0.0.255和239.0.0.0～239.255.255.255。

第1章 组播原理与实现
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IANA 将224.0.0.0～224.0.0.255的地址也叫作链路本地目标地址。

这些地址是保
留给本地网段上的网络协议使用的。

路由器不转发使用这些地址的数据包，因为
这些数据包的TTL 值被设置为1。

网络协议使用这些地址来自动发现路由器并交
流重要的路由选择信息。

如：224.0.0.1表示所有组播成员（包括路由器），224.0.0.2
表示所有组播路由器，OSPF 使用224.0.0.5和224.0.0.6来交换链路状态信息。

239.0.0.0～239.255.255.255被称为管理范围地址。

RFC2365规定，使用这些地址
的组播被限定在本地，与internet 相连的边缘路由器不会把这种组播帧转发到
internet 的外面。

边缘路由器通常使用访问控制列表来阻止组播帧向外网的转发。

在IP 组播地址范围中除去保留地址和管理范围地址后，可以分配给用户使用的
是：224.0.1.0～238.255.255.255。

1.2.2 组播MAC 地址的结构
图1.2- 2 组播MAC 地址
MAC 地址是有48位2进制数组成的。

组播MAC 地址的前24位为0x01005E ，
第25位为0，剩余的23位由IP 组播地址映射形成。

IP 组播地址的前4位都是1110，
后28位映射到MAC 地址的后23位形成组播MAC 地址。

具体的映射方法是，没
有使用28位中的前5位，而是把28位中的后23位映射到MAC 地址的后23位
中。

这样的映射就形成了25：1关系，即32个组播地址对应一个组播MAC 地址。

例
如，组播IP 地址224.1.1.2和238.129.1.2被映射到同一个组播MAC 地址：
01005E010203，加入到224.1.1.2中的主机将收到发送给组播组238.129.1.2的通
信流，因为这两个IP 组播流使用的MAC 组播地址相同。

在多层交换网络中实现
组播应用时，建议在应用层调整目标IP 组播地址，以避免重复。

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- 1.3 组播特点
IP 组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了IP 网络中点到多点的
高效数据传送,能够有效地节约网络带宽、减轻服务器及网络的负载，除此以外还
有以下优点：
●
支持动态的主机成员资格 ●
支持所有的主机组，而不管其位置和成员数量 ● 支持多个应用使用同一个组地址
但是需要指出的是，IP 组播是基于UDP 的，所以IP 组播可能会有信息传送不可
靠、信息包重复、信息包不按序到达、无流量控制等缺点，组播的可靠性由接收
方和网络中的Qos 负责。

1.4 逆向路径转发
我们回顾一下单播转发，首先根据数据包的目的地址查找路由表，然后根据单播
路由表确定路径和本地出接口。

但是这种方式不适合组播转发。

因为组播数据包
中的目的地址是组地址而不是一个明确的主机地址；并且在与路由器相连的每条
路径上或者说每个接口都可能有组成员。

在组播转发过程中，信源将组播流发送给一个组播组。

组播路由器收到组播数据
后，需要确定上游方向（前往信源的方向）和下游方向（前往接收者的方向）。

只
有当组播数据是通过正确的上游方向收到时，路由器才会转发，否则将会丢弃组
播数据。

这种机制叫作RPF （Reverse Path Forwarding ）。

RPF 是组播技术中一个重要概念，它能够确保组播分发树是没有环路的。

具体的
RPF 检查过程如下：
1． 路由器在单播路由表中查找源地址，以确定数据包到达的接口是否位于返
回信源的反向路径上2． 如果数据包是在可返
图1.4- 1 RPF通过检查
上面的实例中，组播数据到达的接口是S1。

路由器查看单播路由表，发现S1是
正确的入站接口。

此时可以通过RPF检查，路由器转发该数据包。

图1.4- 2 未通过RPF检查
实例中，组播数据到达的接口是S0。

路由器查看单播路由表，发现S2才是正确
的入站接口。

所以未通过RPF检查，路由器丢弃此数据包。

1.5 组播转发树
具有组播功能的路由器通过组播转发树来控制IP组播流在网络中的传送，以便将
通信流传送给接收者。

组播分发树有两种：源树和共享树。

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- 1.5.1 源树
图1.5- 1 源树（SPT/最短路径树） 源树是一种最简单的组播分发树，它的树根是信源，通往接受者的分支构成树枝。

由于由信源到接收者使用最短路径，所以我们把源树也叫作SPT （最短路径树）。

图上是组播组224.2.1.1的源树，树根是PC-A ，接收者为PC-B 和PC-C 。

通常我们使用（S ，G ）来表示源树，源树的二个要素是S （信源）和G （组播组）。

这就是说对于每个将组播数据发给接收者的信源，都有一个独立的SPT 。

上图可以用（172.16.1.2，224.2.1.1）来表示以PC-A 为根的源树。

如果PC-C 也作为224.2.1.1组的信源，那么可以用（172.16.3.2，224.2.1.1）来表示以PC-C 为根的源树。

1.5.2 共享树
图1.5- 2 共享树
共享树将网络中某个点作为共享树的树根，而不是象源树那样以信源作为树根。

在共享树中，树根叫作RP（集中点）。

图中共享树的树根为路由器D，信源PC-A和PC-D沿共享树将组播流传送到接收
者PC-B和PC-C。

将数据发送给同一组播组的所有信源使用同一个共享树，即树
根是共享的。

上图的共享树可以表示为（*，224.2.1.1），其中*表示所有的信源，
G表示组播组224.2.1.1。

1.5.3 比较源树和共享树
源树和共享树都在网络中构造了一个没有环路的树型结构，并且都可以根据组播
成员的变化（加入或离开）来动态更新转发树。

源树的优点是，在信源和接收者之间转发的路径始终是最优路径，在某种程度上
降低了跨越多台路由器导致的网络时延。

但代价就是路由器需要保存每个信源的
路径信息。

当信源数量足够多时，会大量占用路由器的资源。

共享树的优点是，同一个组播组的信源共享一个转发树，因而降低了对路由器的
内存的需求。

在单一的共享树的环境中，接收者从RP接收和直接从信源接收相
比，可能路径不是最优的，会引入一定的网络时延。

1.6 组播协议体系
图1.6- 1 组播协议体系框架
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组播协议体系主机-路由器之间的组成员关系协议和路由器-路由器之间的组播路由协议。

组成员关系协议包括IGMP 。

组播路由协议分为域内组播路由协议及域间组播路由协议。

域内组播路由协议包括CBT 、PIM-SM 、PIM-DM 、DVMRP 等协议，域内的组播协议又分为稀疏与密集模式两种。

DVMRP 、PIM-DM 属于密集模式，CBT 、PIM-SM 属于稀疏模式。

CBT 由于协议自身的原因，不适于用在全网性的组播应用中。

所以域内组播路由协议主要使用PIM-SM 、PIM-DM 、DVMRP 协议。

域间组播路由协议有MBGP 、MSDP 等。

MBGP （组播边界网关协议）用于在自治域间交换组播路由信息；MSDP （组播信源发现协议）用于在ISP 之间交换组播信源信息。

IGMP 建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息。

域内组播路由协议根据IGMP 维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。

域间组播路由协议在各自治域间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，以使组播数据在域间进行转发。

组播的目的MAC 在二层交换机上没有相关的转发条目，为了避免将组播数据转发给所有的交换机端口，交换机可以配置IGMP Snooping 。

IGMP Snooping 的实现机理是：交换机通过侦听主机发向路由器的IGMP 成员报告消息的方式，形成组成员和交换机接口的对应关系；交换机根据该对应关系将收到组播数据包只转给具有组成员的接口。

1.7 IGMP 协议
IGMP 协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，主机通过此协议告诉本地路由器希望加入并接受某个特定组播组的信息，同时路由器通过此协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态（即该网段是否仍有属于某个组播组的成员），实现所连网络组成员关系的收集与维护。

IGMP 有三个版本，IGMPv1由RFC1112定义，目前使用最广泛的是IGMPv2，由RFC2236定义。

IGMPv3 由RFC3376定义，目前仍然使用的很少。

IGMPv1中定义了基本的组成员查询和报告过程。

IGMPv2在此基础上添加了组成员快速离开的机制，IGMPv3中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接收某些组播源的报文。

通过IGMP 机制，组播路由器上会形成一张表。

这张表中记录路由器的各个端口以及在端口所对应的子网上都有哪些组的成员。

当路由器接收到某个组G 的数据报文后，只向那些有G 的成员的端口上转发数据报文。

至于数据报文在路由器之间如何转发则由路由协议决定，IGMP 协议并不负责。

1.7.1 IGMPv2的消息格式
图1.7- 1 IGMPv2消息格式
IGMP消息封装在IP报文内传送，协议号为2。

路由器和主机之间交互的IGMP消息有四种类型：
0x11表示组播组成员资格查询，根据组地址的不同可以分为两种类型：组地址为
全0表示常规查询；组地址中写明地址表示对指定组进行成员资格查询。

0x12表示版本1组播组报告消息，说明IGMPv2和IGMPv1兼容。

0x16表示版本2组播组查询报告消息；
0x17表示离开组播组。

最长响应时间：描述了主机发送一个响应消息前的最大允许延时时间，仅对组播
组查询消息才有意义。

校验和：用于验证数据包的完整性。

收到包在处理之前，先确认校验和。

组播组地址：常规查询时，组播组地址被置0。

指定组查询时，组播组地址置为
查询的组播组地址。

在报告消息中为主机的组地址。

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1.7.2 路由器与主机之间的IGMPv2交互
图1.7- 2 主机与路由器交互 主机想加入某个组时，主动发送组成员关系报告；路由器收到组报告后，如果是新组的报告则向该网段转发组播数据，如果组已存在则刷新组状态。

路由器需要定发送常规查询消息，然后根据收到的组成员关系报告来确定某个特定组是否有主机存在；主机收到查询消息后，如果主机正属于某个组，则需要以组成员关系报告响应组播路由器的组成员关系查询，报告中包含主机加入组的组地址。

路由器若长时间没收到关于某组的报告，将删除该组，不再向该网段转发组播数据。

主机想离开某组时，将向路由器发送离开组消息；路由器收到离开组消息时，发出指定组查询，以确定某个特定组是否已无成员。

如果路由器收到报告消息，则刷新组状态；如果在一段时间内路由器若没有收到该组的报告，说明组中已经没有成员，则删除该组。

1.7.3 查询器
如果有多台组播路由器连接在同一个共享网段上时，多台路由器都发出常规查询消息是没有必要的。

为了减少网段上的查询消息，我们规定将由一台特殊的路由器（查询器）来发送查询消息，其它路由器监听并接收查询消息。

查询器是由接在同一个LAN 上的路由器中选举产生。

任何路由器启动组播服务时，它都默认自己为查询器，并发送常规查询消息。

查询器在收到更小源IP 地址的查询消息后就停止发送常规查询消息，变成非查询器。

当查询器失效后不再发送查询消息，非查询器将变成查询器重新发送查询消息。

非查询器如何知道查询器失效？所有非查询器都启动一个查询定时器。

无论何时，
非查询器只要收到普遍查询消息就重新启动定时器。

当定时器超时，非查询器立
即发送查询消息，变成查询器。

1.7.4 报告消息抑制
图1.7- 3 主机报告抑制
当组播路由器发出查询消息时，连接在共享网段上的同一组的多台主机有可能同
时响应组查询消息。

同一组的多台主机响应路由器的查询消息是没有必要的，而且会形成组成员报告
消息的风暴。

IGMP定义了报告消息抑制的机制，可以有效的防止同一组的多台
主机响应组查询消息。

报告抑制的工作原理：当主机收到查询消息并不立即发送响应报告，而是启动定
时器，延时一个随机长短的时间才发送响应报告。

在这段随机的时间内，主机只
要收到自己所属组的任一台主机发出的组成员关系报告（这台主机计时器计时结
束），就不再发送成员关系报告。

这样，每一个组中只有一台主机发送响应报告，
避免了报告风暴。

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1.8 IGMP SNOOPING
图1.8- 1 二层交换机对组播包处理示意图
在介绍IGMP SNOOPING 之前，我们先回顾一下二层交换机对组播包的处理。

上面的交换机端口2、3、4、5分别连接着PC ，只有端口2下面的PC 才是某组的成员。

由于二层交换机对目的MAC 未知、广播和组播包采用洪泛的方式，所以交换机从端口1收到路由器发送组播报文时，将向2、3、4、5端口转发，虽然3、4、5下面的PC 并不是组中的成员。

二层交换机这种洪泛的方式将会造成组包包泛滥，而且对不在组中PC 灌入组播包，会使得该PC 消耗额外的资源用于分析和解读组播包。

IGMP SNOOPING 可以解决以上组播包泛滥的问题。

其工作原理如下：
1． 主机向路由器发出IGMP 成员报告消息时，工作在主机和路由器之间的交
换机对这个报告消息进行监听，然后在交换机中形成组成员和端口的对应关系。

2． 交换机在收到组播数据报文时，根据组成员和端口的对应关系，仅向具有
组成员的端口转发组播报文。

3． 当交换机收到IGMP 查询消息后将向所有端口转发，但交换机只向路由器
发送一次成员关系报告以响应查询。

1.9 PIM
前面介绍组播协议体系时提到，组播协议分为主机－路由器协议和路由器－路由
器协议。

主机－路由器协议负责告诉路由器组成员关系信息，至于组播数据在路
由器之间如何转发则由路由协议决定。

组播路由协议有很多种，其中应用最流行
最广泛的是PIM-SM协议。

从字面上，PIM是与协议无关的组播协议。

与协议无关并不是说PIM与单播路由
协议一点关系都没有，只是表示PIM不依赖于某种具体的IP路由选择协议。

PIM
需要利用单播路由表来进行RPF检查，形成单播路由表的可以是包括静态路由在
内的任何路由协议。

PIM协议报文基于UDP协议，其端口号是103。

PIM还有专门的组播地址
224.0.0.13，表示所有的PIM路由器。

组播应用环境可以分为两类：
组成员密集环境，就是说在某一个范围内组成员众多。

对于这种环境将采用
PIM-DM来解决。

组成员稀疏环境，即在某一范围内组成员比较少或分布比较散。

PIM-DM在这种
环境里应用将增加路由器的负担。

因此，这种环境下我们使用PIM-SM协议。

1.9.1 PIM-DM
1.9.1.1 PIM-DM转发
图1.9- 1 PIM-DM
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- PIM-DM 认为在网络中组成员密集，在运行PIM-DM 协议的网络环境中，路由器将默认所有接口上都有接收者。

PIM-DM 以信源作为组播转发树的树根，转发路径为树枝。

当组播数据到达路由器后，路由器立即建立起转发表。

转发表的入接口应该是路由器依据单播到数据源的接口，如果不是，则丢弃组播包；出接口包括除入接口外的所有接口，如果数据RPF 检查成功，它将根据转发表向除入接口外的所有接口转发。

1.9.1.2 PIM-DM 剪枝
图1.9- 2 PIM-DM 剪枝
路由器所有出接口上都没有接收者的话，组播包再送至此路由器是没有必要的。

它将清空转发表的出接口列表，并向其上游路由器发送剪枝消息，以使组播包不再流向本路由器。

上游路由器收到剪枝消息后，从转发表出接口列表中删除接收到剪枝消息的接口。

组播数据就不再从该接口转发出去。

组播转发树剪枝后的状态只能维持一段时间。

在经过一段时间后，上游路由器重新将曾经收到剪枝消息的出口添加到转发表的出接口列表中。

这样，组播数据又能流向先前被剪枝的下游路由器（这叫做扩散）。

然后，下游路由器再次发出剪枝消息。

周而复始，PIM-DM 组播转发树将不停处于扩散和剪枝的过程中。

1.9.1.3 PIM-DM嫁接
图1.9- 3 PIM-DM嫁接
在PIM-DM剪枝期间，如果路由器下面连接的主机想加入组播组的话，不需要等
到紧接的扩散时期。

路由器将迅速向上游的路由器发送嫁接消息，要求上游路由器把本路由器加入到
转发表中。

上游路由器收到嫁接信息后，会给下游路由器一个嫁接的回应。

回应
的目的是告诉下游路由器已经收到嫁接消息。

PIM使用UDP方式传递，嫁接回应
会使得嫁接消息传递更加可靠。

上游路由器将收到嫁接消息的接口添加到转发表出接口列表中。

组播数据就能够
传送到希望接收数据的路由器和主机成员。

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1.9.2 PIM 稀疏模式
1.9.
2.1 PIM-SM 转发
图1.9- 4 PIM-SM 转发
PIM-DM 适合接收成员多而且密集的情况，PIM-SM 适合于接收成员较少的环境。

两者的加入和转发机制有很大的区别：
PIM-DM 路由器默认所有接口上都有接收者；而PIM-SM 路由器默认所有接口上都没有接收者，主机需要组播流的话，需要由主机进行IGMP 加入，然后向上游发送报告消息。

具体的处理流程如下：
PIM-SM 转发是由主机和RPF 下游的加入消息来驱动的。

需要组播流的主机先向DR 发送IGMP 加入消息。

DR 接收到IGMP 加入后，就在该组转发表的出接口列表中添加刚才接收到IGMP 加入消息的接口。

如果DR 出接口列表从空变成非空状态，则向其RP 发送加入消息。

中途所有路由器就会将收到加入消息的接口添加到出接口列表中。

如果路由器的转发表出接口也从空变为非空状态，则路由器向RP 转发该加入消息。

如果路由器的转发表不为空，则路由器只是在出接口列表中添加收到消息的接口。

这样路由器就建立起了转发表。

组播流将根据转发表把组播数据送达所有组成员。

当组播流到达组播路由器时，路由器也会创建转发表。

转发表的入接口指向源，这里的源指的是RP ，出接口列表如果没有收到加入消息的话为空。

：注意
DR 和RP 的概念和作用将在后面介绍。