USB从1994年的内部版本到现在的USB4经历了20多年，随着USB传输协议的不断升级，数据传输速度也是成倍的增加。大家可能对USB传输协议不太了解，所以我们先来说一下什么是USB传输协议。
上图就是我们常见的USB接口，里面有几根铜线用来传输数据，但铜线只是导电的线缆，并不能直接传输我们想要的数据。这时候就需要传输协议的帮助。这就跟我们交流是一样的，如果没有语言，仅靠一张嘴乱说一通，谁也听不懂你的意思。
在USB的数据传输协议中，芯片会根据传输的内容对USB接口里的电压进行控制，通过控制电压变化来达到传输数据的目的，比如：传输520这个数字，协议会将520转变成1000001000这样的二进制编码，然后芯片只需要通过控制电压高低，来表示0和1，就能传输数据了。
当然上面的例子只是我们最容易理解的方式，实际上USB使用的是NRZ-I（No Return Zero-Inverse）非归零反向编码方式，电压如果变化一次就表示一个“0”，电压如果没有变化就表示“1”，按照这样的规则我们就能把数据变成电信号，从而进行数据传输，这就是通信传输协议。
我们通常所说的USB2.0、USB3.0、雷电3、USB4等就是数据传输协议，它就像沟通用的语言，是我们看不见摸不着的东西。而各式各样的USB接口则是我们制造出来的真实存在的东西，由多根导线组成，用来导电作为数据传输的载体。在USB1.0 — USB2.0 时代，接口形状有很多。USB2.0协议速度还是比较慢的，当时的USB接口都是4根线的，最外面的两根负责给鼠标、键盘、手机之类的东西供电，中间两根负责传输数据。其中我们最常见的是USB Type-A、Mini-B和Micro-B。
Type-A是比较常见的接口
Mini-B出现的时候，手机还比较厚，它大多被用在早期的非智能手机和mp3上。
Micro-B又被称为Android口，它比Mini-B更小更薄，因此被广泛应用在前些年的安卓智能手机上。
随着人们对数据传输速度要求越来越高，对充电速度要求越来越快。传统的只有4根线的接口已经不能满足人们的需求。所以在2008年经过全新设计的USB Type-A/Type-B 和Micro-B伴随着速度更快的USB3.0传输协议一起问世，这种新的接口在原来4根线的基础上新增了5根线，这样搭配USB3.0协议就能有更快的传输速度，为了与旧接口进行区分，新型接口把内部设计成了蓝色。
虽然新型接口传输速度更快，但是由于多出了5根线，所以新型的Micro-B比老接口多出了一节，变得更长，这在内部空间寸土寸金的移动设备上格外致命。因为它不仅更占用设备内部空间，而且更容易损坏，所以这么多年过去，这种接口依然没有被普及。它普遍用于对空间要求没那么高的USB3.0的移动硬盘上，而当时大部分的安卓手机依然采用之前4根线的老式Micro-B接口，同期特立独行的苹果则给iPhone搭载了新型的Lighting接口，Lighting接口有8根线，数据传输更快，还支持正反插，关键是体型还非常小，比同时期安卓手机上的Micro-B接口要强很多。安卓手机急需一种更强大更优秀的接口来挽回颜面。终于，USB Type-C接口于2014年问世。
Type-C接口共有24根线，能提供40Gbps的传输带宽，还能提供20V-5A共计100w的充电功率，外面一层金属保守壳不仅起到抗干扰的效果，而且还支持正反插，它除了比苹果的Lighting大一点点，其他各方面都要比Lighting强大。虽然Type-C这个接口非常优秀，但是俗话说好马要配好鞍，Type-C要搭配更厉害的传输协议才能发挥它全部的实力。
由于Type-C接口非常强，所以它支持多种协议，比如雷电3协议以及传统的USB2.0、USB3.0协议，还有用于快速充电的QC协议、PD协议，以及连接显示器用的HDMI协议、DP协议等，因此可以说Type-C是一种万能的接口。
话到这里就不得不说一下雷电3协议了！雷电3协议是Intel和苹果公司共同研发，支持40Gbps带宽和100w的供电功率。它能做的事情非常多，比如同时接2台4K 60Hz的显示器，搭配雷电3扩展坞，一个小小的雷电3接口就能同时接网线、显示器、鼠标键盘、耳机、U盘、移动硬盘、内存卡等等，搭配显卡扩展坞还能外接高端显卡。
2019年9月，USB Promoter Group 发布了 USB4 规范标准，这标志着USB传输行业进入一个新的高度。USB4协议的大部分内容来源于雷电3协议，通过用户友好的、健壮的线缆和连接解决方案，提供结合数据、显示和电力传输的最佳用户体验，下面我们一起看看USB4带来了哪些不一样的表现。
USB4新功能三大重点
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◇ 01
USB4 只采用USB Type-C接口，USB4信号采双通道传输，传输速度最快支援40G (20Gbps x2)；而过去的连接器如USB Type-A 或Micro-B，仅支援单通道传输，无法支援USB4。
◇ 02
USB4可同时支持数据传输和DisplayPort 影音传输协议，旨在将多种协议组合到单个物理接口，可以动态共享USB4 架构的整体速度和性能。
◇ 03
USB4向下兼容USB 2.0 、USB 3.2和Thunderbolt 3。
USB4重点架构
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USB4 主要构成元件有路由器(Router) ，适配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，时间管理单元)。
◇ 01
路由器是USB4 的一个主要建构模块，路由器将隧道协议转换成USB4 封包传送，并通过TMU来时间同步。主要由USB Host 内建的Connection Manager 来侦测及管理。
◇ 02
适配器内建在路由器里，主要作为路由器与外部元件沟通的媒介，进行协议转换。例如USB4 Host在传输USB3 资料，由内部USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协定封装成USB4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。
◇ 03
TMU 内建在路由器里，使用分布式时间管理单元（TMU），在路由器间做时间同步。
USB4产品类型
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◇ 01
USB4 Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。
◇ 02
USB4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。
◇ 03
USB4-Based Dock：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP，且产品内还有其他元件的功能，如储存装置或网络功能。
◇ 04
USB4 Device: 产品有一个UFP，没有任何的DFP。
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DFP |
UFP | DRP |
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Downstream Facing Port 下行端口，可以理解为Host，DFP提供VBUS，可以提供数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。典型的DFP设备是电源适配器。 |
Upstream Facing Port 上行端口，可以理解为Device,UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型设备是U盘，移动硬盘。 |
Dual Role Port 双角色端口，DRP既可以做DFP(Host),也能做UFP/Device,也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。 |
USB4支持的隧道协议
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依据规格，对Host/ Hub/Dock/Device 必须支援的隧道协议各自有不同要求，如下图，标“Ｖ”为必须支援，其余则是可选择支援与否。
例如：
USB Host 必须支援USB3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。
USB4支援的传输速率
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USB4 能支援20Gbps 以及40Gbps 的速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援这两个速度？
对USB4 Hub 与USB4-Based Dock 来说，必须同时支援20Gbps 及40Gbps。
对USB4 Host 与USB4 Device 来说，可以只支援20Gbps（40Gbps 可列为额外支援，非必要支援速度）。
综合上面的介绍，可以知道USB4 传输速率提升到40 Gbps，并且可以动态分享频宽，使用一条USB Type-C 连接线就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 产品，对于消费者来说更加便利。但对于产品开发者来说，USB4 是一个比较大的挑战，除了产品设计和以往USB3 的产品在架构上的差异，加上高频信号在PCB 及连接器上的衰减，须更关注高频阻抗匹配，在开发阶段确保传输的信号品质。
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