第8章 ControlNet控制网络
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同轴电缆 介质 连接 (可选冗余介质 BNCs)
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
屏蔽双绞线
ControlNet采用8芯屏蔽双绞线，仅用于两 个NAP间的点对点连接。
NAP用于建立系统配置、诊断或控制器编 程时所需的临时连接，能够在任一一点 实现。
长度不能超过10m。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
三种网络模型比较
设备描述 应用层
半导体
阀
传动装置
机器人
CIP 应用层 应用对象库
CIP 数据管理服务 显式报文（Explicit Messages）、 I/O 报文
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络突出特点
实时性、确定性和可重复性突出的原因： （1）应用层使用CIP协议，基于生产者/消费者
通信模式； （2）数据链路层的MAC子层采用CTDMA（同
时间域多路访问）协议； （3）网络通信波特率恒为5Mbps，不受通信
距离影响，在单位时间传输相对较多的数据。
方便。 （10）网络速度：5Mbps（最大）。 （11）I/O数据个数：不限。 （12）I/O数据触发方式：轮询、状态改变/周期。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数 据、编程数据。（即单一网络实现实时控制、 报文传送、设备组态）
（14）网络模型：生产者/消费者。 （15）网络刷新时间：可组态2~100ms。
单的节点安装
干线的任何地方允许安装分接器
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆－分接器
四种分接器： 1、直线式T型 2、直线式Y型 3、直角式T型 4、直角式Y型
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆规范
单段能够用于两节点之间：
两个节点长达1000米 48个节点长达 250米 最多48个节点
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于临时连接）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
临时连接
ControlNet 仅 在 两 个 网 络 访 问 端 口 （ Network Access Port－NAP）间点对点连接时采用8芯屏蔽 双绞线STP，即NAP电缆。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层 ControlNet数据链路层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet数据链路层
介质访问控制原理 MAC帧格式
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
终端电阻类型
75 终端电阻，网络两端
•星形 •树形 •环形
河南机电高等•点专对点科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet物理层
传输介质子层 物理媒体连接子层（PMA） 物理层信号子层（PLS）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于构建临时连接）
距离
500米典型距离 20 km 带中继器
ControlNet
ALLEN- BRADLEY
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1 0
Panel Vi ew 550
7
8
9
4
5
6
1
2
3
.
0
-
<
-
<- -- --- -- --- -- --- -'
-
^
<
>
v
拓扑结构
•主干－分支形
布线 铠装，高柔度，防腐地埋等.
第8章 ControlNet控制网络
工业网络的配置
信息层
PLC
自动化和控制层
PLC
离散设备层Fra Baidu bibliotek
509 -BOD
24vdc
过程设备层
TPF
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层 ControlNet数据链路层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
通信比特率 5 M bps
ControlNet物理层特性
单段网络节点数
99 节点/单网段
物理介质 RG-6 同轴电缆 光缆
光纤的拓扑结构
除同轴电缆的拓扑结构外，还可构成环形 结构，形成自愈式环网。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤网的连接
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤网络设备类型
光缆 节点 分接器 中继适配器 光纤中继模块 中继器供电电源
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet突出优点 ：
（3）先进的生产者/消费者网络模型，最大限度 地优化了带宽的利用率，并可构成多主、主/从、 对等的通信结构；媒体访问算法确保了控制信 息传送时间的准确性。
（4）ControlNet具有灵活的安装选择，可使用各 种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干 扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方 式。
树型拓扑结构（并行使用 中继器）
星型拓扑结构（将中继器 用作集线器）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆－冗余
ControlNet网络支持传输介质冗余。 启动每个设备的A、B双通道，并防止反接。
ControlNet冗余方式
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
8.1 概述
• ControlNet的由来、组织机构与标准
– ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997 年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总 线。
– 1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发 起 成 立 了 控 制 网 国 际 组 织 CI （ ControlNet International）。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet突出优点 ：
（1）ControlNet是高速的控制和I/O网络，具有增 强的I/O性能和点对点通信能力，支持多主方式， 可以从任何一个节点（甚至适配器）访问整个 网络。
（2）对于离散和连续过程控制应用场合，均具 有确定性和可重复性。
其他
CIP
传输层 网络层 数据链路层 物理层
CIP 报文路由，连接管理（ Connection Management）
封装 TCP
IP
UDP
CSMA/CD
Ethernet 物理层
ControlNet CTDMA
ControlNet 物理层
CAN CSMA/NBA
DeviceNet 物理层
新的通讯技术： ATM, USB, FireWire,...
案 供 应 商 —— 美 国 罗 克 韦 尔 自 动 化 (Rockwell Automation) 公 司 推 出 的 最 优 的 工 业 控 制 网 络 技 术——NetLinx的控制层网络，也是罗克韦尔电子 化制造（E-manufacturing）概念的主要技术之一。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
（1）物理层介质：RG6同轴电缆、光纤。 （2）网络拓扑：总线形、星形、树形及其任何
拓扑的混合。 （3）单网段长度：使用同轴电缆，1000m、 带2
个节点，250m、带48个节点；使用光纤，短距 离系统为300m，中等距离系统为7km。
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8.1 概述
（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中继 器，连接6个网段；并行使用，最大支持48个中 继器，连接48个网段。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆
干线电缆 要求终结器
干线电缆
75
节点
支线电缆 1米
节点
没有最小 分接器间隔
节点
节点
75
节点
介质是RG-6同轴电缆
使用电视工业标准电缆 ( 75 ) 廉价 抗噪声干扰 (2层金属膜加2 层金属编织物屏蔽 )
使用BNC或TNC标准的连接器（不同的IP防护等级） 客户指定的分接器使设备和电缆匹配，以避免反射干扰和提供简
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• 为什么要学习ControlNet总线？ • ControlNet是一种高速的工业控制网络; • ControlNet是开放、实时、具有确定性和可重复性
(Determinism & Repeatability)的现场总线。 • ControlNet是世界一流的自动化控制和信息解决方
计算机连接到ControlNet
Tap from 1784-KTC(X)15 and 1784-PCIC
Cable from 1784-PCC
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
网络访问端口（NAP）
ControlNet
AB
NAP
A B
模块前面板 (典型)
LED's
网络存取端口 (RJ45)
（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电缆，
5000m；使用光纤，30km。 （7）网络节点数：使用中继器，可编址节点最
多为99个；不带中继器，最多48个节点。
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8.1 概述
（8）设备供电方式：设备采用外部供电。 （9）节点插拔：节点可带电插拨，安装与更换
令牌总线协议 河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
隐性令牌传递机制
采用同时间域多路访问（ Concurrent Time Domain Multiple Access － CTDMA）协议。
Network Update Time
Network Interval#1
Network Interval#2
ControlNet物理层
传输介质子层 物理媒体连接子层（PMA） 物理层信号子层（PLS）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
物理层信号－曼彻斯特编码
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
曼彻斯特编码 每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟
信号，又作数据信号。 从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。 跳变即作为数据信号标志，也是时钟信号的标志。
与多个接收设备（消费者）之间交换时间紧要 的应用信息 。 – 确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来 提高协议效率。 – 协议使用一种基于时间的预定机制，它可使网 络设备以确定性的、可预测性的方式来访问媒 体，同时也防止了网络碰撞。
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8.1 概述
• ControlNet的主要技术特点可归纳为：
介质访问控制原理
MAC子层的任务是解决网络上所有的节点 共享一个信道所带来的信道争用问题。
ControlNet采用的MAC协议是一种令牌总 线协议。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
令牌总线协议
网络拓扑形式是总线形。 令牌的传递逻辑是环形。 网络必须具有初始化功能，生成令牌传递
次序。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
网段最长距离＝ 1000m－16.3m×(节点数-2)
同轴电缆 干线长度
1000 750 500 250
如果系统处于 该区域需要中继器
如果系统处于 该区域不需要中继器
单段图表
米
2
16
32
48
设备的数量
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆拓扑结构
总线型拓扑结构 (串行使 用中继器)*
*非必须使用中继器
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于临时连接）
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光纤
用于短距离传输，最大传输距离300m； 用于中等距离传输，最大传输距离7km； 用于长距离传输，最大传输距离20km。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤中继器类型
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– CI是一个为用户和供货商服务的非盈利性的独 立组织。
– 2000年1月、2002年2月ControlNet分别成为国际 标准IEC61158第2版、第3版的类型2（Type 2）。
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8.1 概述
• ControlNet的特点、优点与应用
– ControlNet网络使用生产者/消费者模型。 – 生产者/消费者模型允许一个发送设备（生产者）
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屏蔽双绞线
ControlNet采用8芯屏蔽双绞线，仅用于两 个NAP间的点对点连接。
NAP用于建立系统配置、诊断或控制器编 程时所需的临时连接，能够在任一一点 实现。
长度不能超过10m。
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河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
三种网络模型比较
设备描述 应用层
半导体
阀
传动装置
机器人
CIP 应用层 应用对象库
CIP 数据管理服务 显式报文（Explicit Messages）、 I/O 报文
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络突出特点
实时性、确定性和可重复性突出的原因： （1）应用层使用CIP协议，基于生产者/消费者
通信模式； （2）数据链路层的MAC子层采用CTDMA（同
时间域多路访问）协议； （3）网络通信波特率恒为5Mbps，不受通信
距离影响，在单位时间传输相对较多的数据。
方便。 （10）网络速度：5Mbps（最大）。 （11）I/O数据个数：不限。 （12）I/O数据触发方式：轮询、状态改变/周期。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数 据、编程数据。（即单一网络实现实时控制、 报文传送、设备组态）
（14）网络模型：生产者/消费者。 （15）网络刷新时间：可组态2~100ms。
单的节点安装
干线的任何地方允许安装分接器
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆－分接器
四种分接器： 1、直线式T型 2、直线式Y型 3、直角式T型 4、直角式Y型
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆规范
单段能够用于两节点之间：
两个节点长达1000米 48个节点长达 250米 最多48个节点
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于临时连接）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
临时连接
ControlNet 仅 在 两 个 网 络 访 问 端 口 （ Network Access Port－NAP）间点对点连接时采用8芯屏蔽 双绞线STP，即NAP电缆。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层 ControlNet数据链路层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet数据链路层
介质访问控制原理 MAC帧格式
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
终端电阻类型
75 终端电阻，网络两端
•星形 •树形 •环形
河南机电高等•点专对点科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet物理层
传输介质子层 物理媒体连接子层（PMA） 物理层信号子层（PLS）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于构建临时连接）
距离
500米典型距离 20 km 带中继器
ControlNet
ALLEN- BRADLEY
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1 0
Panel Vi ew 550
7
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0
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<- -- --- -- --- -- --- -'
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v
拓扑结构
•主干－分支形
布线 铠装，高柔度，防腐地埋等.
第8章 ControlNet控制网络
工业网络的配置
信息层
PLC
自动化和控制层
PLC
离散设备层Fra Baidu bibliotek
509 -BOD
24vdc
过程设备层
TPF
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ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层 ControlNet数据链路层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet网络
ControlNet网络概述 ControlNet网络模型 ControlNet网络物理层
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
通信比特率 5 M bps
ControlNet物理层特性
单段网络节点数
99 节点/单网段
物理介质 RG-6 同轴电缆 光缆
光纤的拓扑结构
除同轴电缆的拓扑结构外，还可构成环形 结构，形成自愈式环网。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤网的连接
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤网络设备类型
光缆 节点 分接器 中继适配器 光纤中继模块 中继器供电电源
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet突出优点 ：
（3）先进的生产者/消费者网络模型，最大限度 地优化了带宽的利用率，并可构成多主、主/从、 对等的通信结构；媒体访问算法确保了控制信 息传送时间的准确性。
（4）ControlNet具有灵活的安装选择，可使用各 种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干 扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方 式。
树型拓扑结构（并行使用 中继器）
星型拓扑结构（将中继器 用作集线器）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆－冗余
ControlNet网络支持传输介质冗余。 启动每个设备的A、B双通道，并防止反接。
ControlNet冗余方式
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
ControlNet传输介质
8.1 概述
• ControlNet的由来、组织机构与标准
– ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997 年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总 线。
– 1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发 起 成 立 了 控 制 网 国 际 组 织 CI （ ControlNet International）。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet突出优点 ：
（1）ControlNet是高速的控制和I/O网络，具有增 强的I/O性能和点对点通信能力，支持多主方式， 可以从任何一个节点（甚至适配器）访问整个 网络。
（2）对于离散和连续过程控制应用场合，均具 有确定性和可重复性。
其他
CIP
传输层 网络层 数据链路层 物理层
CIP 报文路由，连接管理（ Connection Management）
封装 TCP
IP
UDP
CSMA/CD
Ethernet 物理层
ControlNet CTDMA
ControlNet 物理层
CAN CSMA/NBA
DeviceNet 物理层
新的通讯技术： ATM, USB, FireWire,...
案 供 应 商 —— 美 国 罗 克 韦 尔 自 动 化 (Rockwell Automation) 公 司 推 出 的 最 优 的 工 业 控 制 网 络 技 术——NetLinx的控制层网络，也是罗克韦尔电子 化制造（E-manufacturing）概念的主要技术之一。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
（1）物理层介质：RG6同轴电缆、光纤。 （2）网络拓扑：总线形、星形、树形及其任何
拓扑的混合。 （3）单网段长度：使用同轴电缆，1000m、 带2
个节点，250m、带48个节点；使用光纤，短距 离系统为300m，中等距离系统为7km。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中继 器，连接6个网段；并行使用，最大支持48个中 继器，连接48个网段。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆
干线电缆 要求终结器
干线电缆
75
节点
支线电缆 1米
节点
没有最小 分接器间隔
节点
节点
75
节点
介质是RG-6同轴电缆
使用电视工业标准电缆 ( 75 ) 廉价 抗噪声干扰 (2层金属膜加2 层金属编织物屏蔽 )
使用BNC或TNC标准的连接器（不同的IP防护等级） 客户指定的分接器使设备和电缆匹配，以避免反射干扰和提供简
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• 为什么要学习ControlNet总线？ • ControlNet是一种高速的工业控制网络; • ControlNet是开放、实时、具有确定性和可重复性
(Determinism & Repeatability)的现场总线。 • ControlNet是世界一流的自动化控制和信息解决方
计算机连接到ControlNet
Tap from 1784-KTC(X)15 and 1784-PCIC
Cable from 1784-PCC
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
网络访问端口（NAP）
ControlNet
AB
NAP
A B
模块前面板 (典型)
LED's
网络存取端口 (RJ45)
（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电缆，
5000m；使用光纤，30km。 （7）网络节点数：使用中继器，可编址节点最
多为99个；不带中继器，最多48个节点。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
（8）设备供电方式：设备采用外部供电。 （9）节点插拔：节点可带电插拨，安装与更换
令牌总线协议 河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
隐性令牌传递机制
采用同时间域多路访问（ Concurrent Time Domain Multiple Access － CTDMA）协议。
Network Update Time
Network Interval#1
Network Interval#2
ControlNet物理层
传输介质子层 物理媒体连接子层（PMA） 物理层信号子层（PLS）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
物理层信号－曼彻斯特编码
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
曼彻斯特编码 每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟
信号，又作数据信号。 从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。 跳变即作为数据信号标志，也是时钟信号的标志。
与多个接收设备（消费者）之间交换时间紧要 的应用信息 。 – 确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来 提高协议效率。 – 协议使用一种基于时间的预定机制，它可使网 络设备以确定性的、可预测性的方式来访问媒 体，同时也防止了网络碰撞。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet的主要技术特点可归纳为：
介质访问控制原理
MAC子层的任务是解决网络上所有的节点 共享一个信道所带来的信道争用问题。
ControlNet采用的MAC协议是一种令牌总 线协议。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
令牌总线协议
网络拓扑形式是总线形。 令牌的传递逻辑是环形。 网络必须具有初始化功能，生成令牌传递
次序。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
网段最长距离＝ 1000m－16.3m×(节点数-2)
同轴电缆 干线长度
1000 750 500 250
如果系统处于 该区域需要中继器
如果系统处于 该区域不需要中继器
单段图表
米
2
16
32
48
设备的数量
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
同轴电缆拓扑结构
总线型拓扑结构 (串行使 用中继器)*
*非必须使用中继器
同轴电缆 光纤 屏蔽双绞线（仅用于临时连接）
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤
用于短距离传输，最大传输距离300m； 用于中等距离传输，最大传输距离7km； 用于长距离传输，最大传输距离20km。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
光纤中继器类型
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
– CI是一个为用户和供货商服务的非盈利性的独 立组织。
– 2000年1月、2002年2月ControlNet分别成为国际 标准IEC61158第2版、第3版的类型2（Type 2）。
河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室
8.1 概述
• ControlNet的特点、优点与应用
– ControlNet网络使用生产者/消费者模型。 – 生产者/消费者模型允许一个发送设备（生产者）