USB從1994年的內部版本到現在的USB4經歷了20多年，隨著USB傳輸協議的不斷升級，數據傳輸速度也是成倍的增加。大家可能對USB傳輸協議不太了解，所以我們先來說一下什么是USB傳輸協議。
上圖就是我們常見的USB接口，里面有幾根銅線用來傳輸數據，但銅線只是導電的線纜，并不能直接傳輸我們想要的數據。這時候就需要傳輸協議的幫助。這就跟我們交流是一樣的，如果沒有語言，僅靠一張嘴亂說一通，誰也聽不懂你的意思。
在USB的數據傳輸協議中，芯片會根據傳輸的內容對USB接口里的電壓進行控制，通過控制電壓變化來達到傳輸數據的目的，比如：傳輸520這個數字，協議會將520轉變成1000001000這樣的二進制編碼，然后芯片只需要通過控制電壓高低，來表示0和1，就能傳輸數據了。
當然上面的例子只是我們最容易理解的方式，實際上USB使用的是NRZ-I（No Return Zero-Inverse）非歸零反向編碼方式，電壓如果變化一次就表示一個“0”，電壓如果沒有變化就表示“1”，按照這樣的規則我們就能把數據變成電信號，從而進行數據傳輸，這就是通信傳輸協議。
我們通常所說的USB2.0、USB3.0、雷電3、USB4等就是數據傳輸協議，它就像溝通用的語言，是我們看不見摸不著的東西。而各式各樣的USB接口則是我們制造出來的真實存在的東西，由多根導線組成，用來導電作為數據傳輸的載體。在USB1.0 — USB2.0 時代，接口形狀有很多。USB2.0協議速度還是比較慢的，當時的USB接口都是4根線的，最外面的兩根負責給鼠標、鍵盤、手機之類的東西供電，中間兩根負責傳輸數據。其中我們最常見的是USB Type-A、Mini-B和Micro-B。
Type-A是比較常見的接口
Mini-B出現的時候，手機還比較厚，它大多被用在早期的非智能手機和mp3上。
Micro-B又被稱為Android口，它比Mini-B更小更薄，因此被廣泛應用在前些年的安卓智能手機上。
隨著人們對數據傳輸速度要求越來越高，對充電速度要求越來越快。傳統的只有4根線的接口已經不能滿足人們的需求。所以在2008年經過全新設計的USB Type-A、Type-B和Micro-B伴隨著速度更快的USB3.0傳輸協議一起問世，這種新的接口在原來4根線的基礎上新增了5根線，這樣搭配USB3.0協議就能有更快的傳輸速度，為了與舊接口進行區分，新型接口把內部設計成了藍色。
雖然新型接口傳輸速度更快，但是由于多出了5根線，所以新型的Micro-B比老接口多出了一節，變得更長，這在內部空間寸土寸金的移動設備上格外致命。因為它不僅更占用設備內部空間，而且更容易損壞，所以這么多年過去，這種接口依然沒有被普及。它普遍用于對空間要求沒那么高的USB3.0的移動硬盤上，而當時大部分的安卓手機依然采用之前4根線的老式Micro-B接口，同期特立獨行的蘋果則給iphone搭載了新型的Lighting接口，Lighting接口有8根線，數據傳輸更快，還支持正反插，關鍵是體型還非常小，比同時期安卓手機上的Micro-B接口要強很多。安卓手機急需一種更強大更優秀的接口來挽回顏面。終于，USB Type-C接口于2014年問世。
Type-C接口共有24根線，能提供40Gbps的傳輸帶寬，還能提供20V-5A共計100w的充電功率，外面一層金屬保守殼不僅起到抗干擾的效果，而且還支持正反插，它除了比蘋果的Lighting大一點點，其他各方面都要比Lighting強大。雖然Type-C這個接口非常優秀，但是俗話說好馬要配好鞍，Type-C要搭配更厲害的傳輸協議才能發揮它全部的實力。
由于Type-C接口非常強，所以它支持多種協議，比如雷電3協議以及傳統的USB2.0、USB3.0協議，還有用于快速充電的QC協議、PD協議，以及連接顯示器用的HDMI協議、DP協議等，因此可以說Type-C是一種萬能的接口。
話到這里就不得不說一下雷電3協議了！雷電3協議是Intel和蘋果公司共同研發，支持40Gbps帶寬和100w的供電功率。它能做的事情非常多，比如同時接2臺4K 60Hz的顯示器，搭配雷電3擴展塢，一個小小的雷電3接口就能同時接網線、顯示器、鼠標鍵盤、耳機、U盤、移動硬盤、內存卡等等，搭配顯卡擴展塢還能外接高端顯卡。
2019年9月，USB Promoter Group 發布了 USB4 規范標準，這標志著USB傳輸行業進入一個新的高度。USB4協議的大部分內容來源于雷電3協議，通過用戶友好的、健壯的線纜和連接解決方案，提供結合數據、顯示和電力傳輸的最佳用戶體驗，下面我們一起看看USB4帶來了哪些不一樣的表現。
USB4新功能三大重點
01
USB4 只采用USB Type-C接口，USB4信號采雙通道傳輸，傳輸速度最快支援40G (20Gbps x2)；而過去的連接器如USB Type-A 或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB4。
02
USB4可同時支持數據傳輸和DisplayPort 影音傳輸協議，旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB4 架構的整體速度和性能。
03
USB4向下兼容USB 2.0 、USB 3.2和Thunderbolt 3。
USB4重點架構
USB4 主要構成元件有路由器(Router) ，適配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，時間管理單元)。
01
路由器是USB4 的一個主要建構模塊，路由器將隧道協議轉換成USB4 封包傳送，并通過TMU來時間同步。主要由USB Host 內建的Connection Manager 來偵測及管理。
02
適配器內建在路由器里，主要作為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協議轉換。例如USB4 Host在傳輸USB3 資料，由內部USB3 Host 透過USB3 Adapter 進行協定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個路由器內部最多可以支援64個適配器。
03
TMU 內建在路由器里，使用分布式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。
USB4產品類型
01
USB4 Host：產品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。
02
USB4 Hub：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP。
03
USB4-Based Dock：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP，且產品內還有其他元件的功能，如儲存裝置或網絡功能。
04
USB4 Device: 產品有一個UFP，沒有任何的DFP。
USB4支持的隧道協議
依據規格，對Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協議各自有不同要求，如下圖，標“Ｖ”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。
例如：
USB Host 必須支援USB3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。
USB4支援的傳輸速率
USB4 能支援20Gbps 以及40Gbps 的速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援這兩個速度？
對USB4 Hub 與USB4-Based Dock 來說，必須同時支援20Gbps 及40Gbps。
對USB4 Host 與USB4 Device 來說，可以只支援20Gbps（40Gbps 可列為額外支援，非必要支援速度）。
綜合上面的介紹，可以知道USB4 傳輸速率提升到40 Gbps，并且可以動態分享頻寬，使用一條USB Type-C 連接線就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 產品，對于消費者來說更加便利。但對于產品開發者來說，USB4 是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往USB3 的產品在架構上的差異，加上高頻信號在PCB 及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。
