USB 3.0 / 3.1 / 3.2 / SuperSpeed-USB

USB 3.0 ist eine Universal-Schnittstelle mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 4 GBit/s (Brutto 5 GBit/s) und trägt die Bezeichnung "SuperSpeed-USB". Mit 600 MByte/s ist es rund zehn Mal so schnell wie USB 2.0. USB 2.0 hat eine Übertragungsgeschwindigkeit von 480 MBit/s bzw. 60 MByte/s, wobei davon nur gut die Hälfte in der Praxis erreicht werden kann. USB 3.0 erreicht mit 4 GBit/s bzw. 600 MByte/s das Niveau eines PCIe-2.0-Links (500 MByte/s).
USB 3.1 spezifiziert den Übertragungsmodus SuperSpeed+ bzw. SuperSpeedPlus mit 10 GBit/s (Brutto).
Obwohl USB 3.0 und 3.1 viele Neuerungen mitbringen, steht Abwärtskompatibilität im Vordergrund. Der USB-3.0-Host besteht intern aus einem USB-2.0- und USB-3.0-Teil. Dadurch wird die Kompatibilität zu älteren Geräten mit USB 1.1 und 2.0 erreicht.

Derzeit ist das Marktpotenzial für schnelle USB-3.1-Peripherie noch sehr klein. Das liegt unter anderem daran, weil die Peripherie aktuell ohne 10 GBit/s auskommt. Der Bedarf liegt meist weit darunter. USB 3.1 ist hauptsächlich für die Verbindung zwischen einem Notebook und einer Docking-Station interessant, wo die Kommunikation von mehreren Peripherie-Geräten über ein Verbindung erfolgen soll.

Übersicht: USB - Universal Serial Bus

Vergleich: USB

Schnittstelle USB 2.0 USB 3.0 USB 3.1 USB 3.2
Transferrate (theoretisch) 480 MBit/s 5 GBit/s 10 GBit/s 20 GBit/s
bis 60 MByte/s bis 600 MByte/s bis 1.200 MByte/s  
Transferrate (praktisch) ca 30 MByte/s ca. 450 MByte/s ca. 800 MByte/s ca. 1.600 MByte/s

USB 3.0 mit 5 GBit/s (SuperSpeed / USB 3.1 Gen 1)

USB 3.0 erreicht eine rechnerisch, maximale Transferrate von 500 MByte/s. In der Praxis muss man mit nur ca. 460 MByte/s rechnen. Und beim klassischen BOT-Übertragungsmodus (Bulk Only Transport) erreicht sogar nicht mehr als 250 MByte/s. Ungefähr doppelt so schnell geht es nur mit dem USB Attached SCSI Protocol (UASP). Alle modernen Betriebssysteme unterstützen das automatisch, vorausgesetzt der Hostadapter im Storage-Device unterstützt es auch. Das bringt dann aber nichts, wenn die Festplatte nicht über 200 MByte/s hinauskommt.

Hinweis: USB 3.0 darf auch als "USB 3.1 Gen 1" bezeichnet werden und unterstützt dann aber nur 5 GBit/s.

USB 3.1 mit 10 GBit/s (SuperSpeedPlus / USB 3.1 Gen 2)

USB 3.1 spezifiziert den Übertragungsmodus SuperSpeedPlus (USB 3.1 Gen 2) mit 10 GBit/s. Der Übertragungsmodus SuperSpeed (Enhanced SuperSpeed Gen 1) mit 5 GBit/s ist weiterhin gültig.
Die Verdopplung der Geschwindigkeit von 5 auf 10 GBit/s ist ohne neue Steckverbinder, Protokolle oder Treiber möglich. Außerdem geht statt 20 Prozent Overhead, wie bei 3.0, bei 3.1 nur noch 3 Prozent verloren. Netto steht also mehr als das doppelte an Datenrate zur Verfügung. Hier kommt die volle Transferrate aber nur zustande, wenn alle Beteiligten diesen Übertragungsmodus beherrschen.

SuperSpeedPlus arbeitet mit den selben differenziellen Leitungspaaren wie SuperSpeed. Nur dass der Takt doppelt so hoch ist und eine effizientere Kodierung verwendet wird (128b/132b statt 8b/10b). Unterm Strich soll sich dadurch eine Übertragungsrate von etwa 1 GByte/s ergeben. In der Praxis kommt man auf ca. 760 MByte/s. Das ist mehr als bei SATA-6G mit maximal 600 MByte/s.

Hinweis: Auch wenn auf einem Endgerät USB 3.1 drauf steht, unterstützt es nicht zwangsläufig auch 10 GBit/s (USB 3.1 Gen 2). Es könnten auch nur 5 GBit/s sein (USB 3.1 Gen 1).

USB 3.2 mit 20 GBit/s (SuperSpeedPlus)

USB 3.2 ermöglicht Übertragungsraten von 20 GBit/s über USB-Typ-C-Steckverbindungen. Während USB 3.1 Gen 2 lediglich ein differenzielles Adernpaar des USB-C-Kabels verwendt, erlaubt USB 3.2 im Multi-Lane-Betrieb je zwei Adernpaare mit jeweils 10 GBit/s pro Richtung zu nutzen. Die neue USB-Spezifikation ist ausschließlich für USB-C und nicht für die weitverbreiteten USB-A-Buchsen freigegeben.

Hinweis: Die Multi-Lane-Technik funktioniert auch mit SuperSpeed, also zwei 5-GBit/s-Transfers parallel auf jeweils zwei Adernpaaren und damit insgesamt 10 GBit/s.

Steckverbindung für USB 3.0, 3.1 und 3.2

Der SuperSpeed- und SuperSpeedPlus-Modus funktioniert nur mit USB-Kabeln, die zusätzlich zu dem bisherigen Datenleitungspaar (D+/D-), für beide Transferrichtungen je ein separat geschirmtes Adernpaar (Shielded Differential Pair, SDP), sowie zwecks Einhaltung von EMV-Grenzwerten eine gemeinsame Abschirmung des gesamten Kabels verwenden.

Anstatt Kabellängen sind in der USB-3.0/3.1-Spezifikation Grenzwerte für die elektrischen Parameter definiert, bei denen nur der SuperSpeed- und SuperSpeedPlus-Modus sicher funktioniert. Die typische Leitungslänge dürfte bei 3 Metern liegen. Besonders gute, aber auch teure Kabel dürften 4,5 Meter errechen.
Steckverbinder des Typs A, die für USB 3.0 geeignet sind, erkennt man am blau gefärbten Innenteil. Ältere USB-Kabel sind in der Regel innen weiß oder schwarz.

USB 3.0 A- und B-Stecker

Der Typ-A-Stecker für USB 3.0 und 3.1 hat fünf zusätzliche Kontakte, wobei der Typ-A-Stecker zu den alten USB-Buchsen kompatibel ist. Im Typ-A-Stecker befinden sich die neuen Kontakt in dem Bereich, wo im alten Stecker nur Plastik ist. Der Vorteil dabei, alle Stecker und Buchsen vom Typ A passen zusammen. Bei Micro-USB- und Typ-B-Steckern sieht das anders aus. Hier bekommt der Stecker einen Anbau, der die zusätzlichen Pins aufnimmt. Das bedeutet, die Verbindung hat einen USB-2.0- und einen USB-3.0-Teil. Somit passen alte Stecker in die neuen Buchsen, aber nicht umgekehrt. Ein USB-3.0-Geräte-Stecker findet in einer USB-2.0-Geräte-Buchse keinen Platz. Hat man für ein USB-3.0-Gerät nur ein USB-2.0-Kabel, dann lässt sich das Gerät auch nur mit USB-2.0-Geschwindigkeit betreiben.

Auch bei USB 3.1 bleibt Kompatibilität erhalten. Nur die elektrischen Bedingungen für die Schirmung und Erdung wurden angepasst. Die Kabel dürften dann in der Regel nur 1 Meter lang sein. Längere Kabel sind für die Geschwindigkeitsstufe ab 10 GBit/s ungeeignet.

Hinweis: Auf die Geschwindigkeit hat die Steckverbindung keine Einfluss. USB 3.1 braucht den USB-C-Stecker nicht. Wichtig ist nur, dass der Controller hinter der Buchse USB 3.1 beherrscht. Erst ab USB 3.2 ist zwangsläufig der USB-C-Stecker erfoderlich, weil hier die höhere Geschwindigkeit durch die Nutzung weiterer Adernpaare erreicht wird.

Datenübertragung

Hauptkritikpunkt am USB ist das Polling bei der Datenübertragung. Dabei fragt der Host alle Geräte immer wieder ab, ob sie Daten zum Übertragen haben. Bei USB 3.0 können die einzelnen Geräte mit "Not Ready" (NRDY) melden, dass sie später auf die Nachfrage antworten wollen. Der Host merkt sich das und fragt diese Geräte nicht mehr ab. Doch sobald ein Device Daten zum Übertragen hat, meldet es ein "Endpoint Ready" (ERDY) zurück. Damit soll der Datentransfer effizienter gestaltet werden.
USB 3.0 sieht noch weitere Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz beim Datentransfer vor. Die 5 GBit/s fließen über zwei neue Adernpaare. Per SSTX+ und SSTX- schickt der USB-Controller Daten zum Gerät und über SSRX+ und SSRX- fließen Daten zurück. Da USB 3.0 Sende- und Empfangsleitungen voneinander trennt, muss ein Device nicht auf die Bus-Zuteilung vom Controller warten. Empfängt der Controller ein ERDY, dann fragt er wie bei USB 2.0 das Gerät ab. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass die Controller-Logik dafür verantwortlich ist. Die darüberliegenden Protokolle bekommen von diesem Vorgang nichts mit.

Stromversorgung

Für SuperSpeed-Geräte wird die 100-mA-Grenze im Low-Power-Mode auf 150 mA angehoben. Im High-Power-Mode wird die 500-mA-Grenze auf 900 mA angehoben. Die Chancen für den Wegfall der problematischen Y-USB-Stromadaptern und zusätzlichen externen Steckernetzteilen stehen gut.

Stromsparmodus

Das NRDY-Signal hat noch einen weiteren Vorteil. Wenn ein Gerät ein NRDY gesendet hat, dann kann es sich in einen Stromsparmodus versetzen. Wenn das alle Geräte tun, die am Controller angeschlossen sind, dann kann auch der Controller seinen Upstream-Link in den Stromsparmodus versetzen. Das ist besonders für Akku-betriebene Geräte interessant.

USB 3.0 kennt vier Stromsparmodi:
  • U0 = Opertional
  • U1 = angeschaltete PLL
  • U2 = abgeschaltete PLL
  • U3 = Suspend

USB-Authentication (USB mit Signatur)

Ein Teil von USB 3.1 ist die USB-Geräteauthentifizierung. Dabei können sich USB-Geräte gegenüber einem USB-Host mit einem digitalen Zertifikat ausweisen. Über kryptografische Funktionen und Zertifikate können sich USB-C-Geräte gegenseitig identifizieren. Damit möchte man vermeiden, dass Hersteller, die zum Beispiel nur eigene Ladegeräte an ihren Geräten vorsehen, keine propritären Lösungen entwickeln, sondern über Zertifikate realisieren können.

Die USB-Authentification erfordert Typ-C-Kabel, weil nur die eine CC-Leitung (Configuration Channel) haben. Bei anderen Geräten mit Typ-A-Stecker muss die Authentifizierung über den regulären USB-Daten-Bus erfolgen.

Von der USB-Authentication profitieren die Anwender. So kann ein Smartphone mit Authentication-Unterstützung an öffentlichen Ladestationen nur zertifizierte Ladestationen akzeptieren. So verhindert man, dass manipulierte Ladestationen über USB Daten oder Bildschirminhalte abgreifen.
Auch in Unternehmen, wo USB-Ports häufig abgeschaltet oder mechanisch gesperrt sind, können Administratoren festlegen, welche USB-Geräte funktionieren dürfen.

Beispiel 1: Das Laden mit USB-Netzteilen kann durch den Hersteller auf zertifizierte Netzteile beschränkt werden, die eine signierte Firmware mitbringen. Auf diese Weise lassen sich Probleme beim Laden mit mangelhaften Netzteilen oder Kabel ausschließen. Andererseits kann der Gerätehersteller das Laden auf seine eigenen Netzteile beschränken. Das ist auf den ersten Blick weniger schön. Allerdings vermeidet man dadurch zerstörte Geräte und angeschmorte Kabel, was bei billigen Chinaprodukten immer wieder ein Problem ist.

Beispiel 2: Administratoren können erstmals USB-Geräte zulassen, die sich über eine signierte Firmware anmelden. Angriffe über BadUSB-Sticks, die eine manipulierte Firmware aufweisen, könnte man wirkungsvoll verhindern. Dazu prüft der USB-Host bzw. der USB-Treiber die Signatur und lässt nur noch Geräte mit signierter Firmware zu.
Bisher war es nur möglich, USB-Geräte komplett auszuschließen und dabei vorhandene USB-Ports zu verkleben.

Problem: USB-3.0-Geräte stören WLAN- und Bluetooth-Verbindungen

WLAN- und Bluetooth-Verbindungen können durch USB-3.0-Geräte gestört werden (gilt prinziepiell auch für 3.1 und 3.2). Das Problem liegt daran, weil die Basisfrequenz für den SuperSpeed-Modus von 5 GT/s bei 2,5 GHz liegt, was sich in der Nähe des Frequenzbereichs von 2,4 GHz befindet. Dieser Frequenzbereich wird von WLAN, Bluetooth und anderen lokalen Funksystemen benutzt. Die USB-Basisfrequenz wird von Kabeln, Steckverbindungen und Geräten abgestrahlt. Auch dann, wenn die Komponenten eine gute Schirmung aufweisen. Jedenfalls kann ein ungeschickt platziertes USB-3.0-Gerät WLAN- und Bluetooth-Funkempfänger stören.

Kurzfristig kann man das Problem dadurch lösen, dass man USB-3.0-Geräte mit einem sehr kurzen und gut geschirmten Kabel verbindet oder den Abstand zu den Funkgeräten vergrößert. Zusätzlich ist es sinnvoll ein WLAN im 5-GHz-Band zu betreiben.

Übersicht: USB - Universal Serial Bus

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