物理層

コンピュータ ネットワークの7 層OSI モデルでは、物理層またはレイヤー 1が最初で最下位の層であり、デバイス間の物理的な接続に最も密接に関連する層です。物理層は、伝送媒体への電気的、機械的、および手順的なインターフェイスを提供します。電気コネクタの形状と特性、送信する周波数、使用する回線コード、および同様の低レベル パラメータは、物理層によって指定されます。

電気層では、物理層は専用のPHYチップによって実装されるのが一般的ですが、電子設計自動化(EDA)では設計ブロックによって実装されます。モバイル コンピューティングでは、MIPI Alliance *-PHYファミリの相互接続プロトコルが広く使用されています。

歴史的に、OSI モデルは、インターネット プロトコル スイートやイーサネットなどのインターネットワーキングと密接に関連しています。これらは、抽象化は多少異なりますが、同じ時代に同様の方向で開発されました。インターネットワーキング以外にも、OSI 抽象化は、データ通信やコンピューター エレクトロニクスにおけるあらゆる形式のデバイス相互接続に応用できます。

物理層は、ネットワークノードを接続する物理データリンクを介して生のビットストリーム^[2]を送信する手段を定義します。ビットストリームはコードワードまたはシンボルにグループ化され、伝送媒体を介して送信される物理信号に変換されます。

物理層は、ネットワークの電子回路伝送技術で構成されています。^[3]これは、ネットワークの上位レベルの機能の基礎となる層であり、さまざまな特性を持つさまざまなハードウェア技術を通じて実装できます。^[4]

OSIモデルのセマンティクスの範囲内で、物理層はデータリンク層からの論理通信要求をハードウェア固有の操作に変換し、電子信号（またはその他の信号）の送信または受信を実行します。^{[5] [6]}物理層は、論理データパケットの生成を担当する上位層をサポートします。

開放型システム間相互接続（OSI）アーキテクチャを使用するネットワークでは、物理信号サブ層は物理層の一部であり、^{[7] [8]}

• データリンク層のメディアアクセス制御（MAC）サブ層とのインターフェース、
• シンボルのエンコード、送信、受信、デコードを実行し、
• ガルバニック絶縁を実行します。

RFC 1122およびRFC 1123で定義されているインターネットプロトコルスイートは、インターネットや同様のネットワークで使用される高レベルのネットワーク記述です。このモデルは物理インターフェースに直接関係しないため、ハードウェアレベルの仕様とインターフェースのみを扱うレイヤーは定義されていません。^{[9] [10]}

物理層によって実行される主な機能とサービスは次のとおりです。物理層は、物理的な伝送媒体を介してビットごとまたはシンボルごとのデータ配信を実行します。^[11]伝送媒体への標準化されたインターフェイスを提供し、これには、^{[12] [13]}電気コネクタとケーブルの機械的仕様（最大ケーブル長など）、伝送線路信号レベルとインピーダンスの電気的仕様が含まれます。物理層は、電磁スペクトル周波数割り当て、信号強度、アナログ帯域幅などの仕様を含む電磁両立性を担当します。伝送媒体は、光ファイバー上の電気的または光学的、あるいは自由空間光通信やラジオなどの無線通信リンクである場合があります。

ライン コーディングは、データを搬送波または赤外線に変調できる電気的変動のパターンに変換するために使用されます。データの流れは、同期シリアル通信ではビット同期、非同期シリアル通信ではスタート ストップ信号とフロー制御によって管理されます。複数のネットワーク参加者間での伝送媒体の共有は、単純な回線交換または多重化によって処理できます。伝送媒体を共有するためのより複雑なメディア アクセス制御プロトコルでは、イーサネットの衝突検出機能付きキャリア センス多重アクセス(CSMA/CD)などのキャリア センスと衝突検出が使用される場合があります。

信頼性と効率を最適化するために、イコライゼーション、トレーニングシーケンス、パルス整形などの信号処理技術が使用される場合がある。誤り訂正符号や前方誤り訂正^[14]などの技術を適用して信頼性をさらに向上させることもできる。

物理層に関連するその他のトピックには、ビットレート、ポイントツーポイント、マルチポイント、ポイントツーマルチポイントの回線構成、バス、リング、メッシュ、スターネットワークなどの物理ネットワークトポロジ、シリアルまたはパラレル通信、単方向、半二重または全二重の伝送モード、および自動ネゴシエーションなどがあります^[15]

PHYは物理層の略称で、通常は集積回路として実装される電子回路であり、ネットワーク インターフェイス コントローラでOSI モデルの物理層機能を実装するために必要なものです。

PHYはリンク層デバイス（メディアアクセス制御の頭字語としてMACと呼ばれることが多い）を光ファイバーや銅線などの物理媒体に接続します。PHYデバイスには通常、物理コーディングサブレイヤー（PCS）と物理媒体依存（PMD）レイヤーの両方の機能が含まれています。^[16]

-PHY は、特定の物理層プロトコルを参照する短い名前を形成するためのサフィックスとしても使用できます (例: M-PHY )。

光ファイバー通信用のモジュラートランシーバー( SFPファミリなど) は、PHY チップを補完し、PMDサブレイヤーを形成します。

イーサネットPHY は、 OSI ネットワーク モデルの物理層で動作するコンポーネントです。イーサネットの物理層部分を実装します。その目的は、リンクへのアナログ信号の物理アクセスを提供することです。通常、マイクロコントローラまたは上位層の機能を処理する他のシステム内の MAC チップへのメディア独立インターフェイス(MII) とインターフェイスされます。

より具体的には、イーサネットPHYは、イーサネットフレームのハードウェア送受信機能を実装するチップであり、イーサネットのライン変調のアナログ領域とリンク層パケットシグナリングのデジタル領域との間のインターフェイスとなります。^[17] 通常、PHYはMACアドレス指定を処理しません。これはリンク層の仕事だからです。同様に、Wake-on-LANおよびBoot ROM機能は、ネットワークインターフェイスカード（NIC）に実装されており、PHY、MAC、およびその他の機能が1つのチップに統合されている場合もあれば、別々のチップとして実装されている場合もあります。

一般的なイーサネットインターフェースには、データ通信用の光ファイバーまたは2～4対の銅線が含まれます。しかし、現在ではシングルペアイーサネット（SPE）と呼ばれる新しいインターフェースがあり、これは1対の銅線を使用しても意図した速度で通信することができます。Texas Instruments DP83TD510E ^[18]は、SPEを使用するPHYの例です。

例としては、Microsemi SimpliPHYおよびSynchroPHY VSC82xx/84xx/85xx/86xxファミリー、Marvell Alaska 88E1310/88E1310S/88E1318/88E1318Sギガビットイーサネットトランシーバー、Texas Instruments DP838xxファミリー^{[19] 、Intel [20]}およびICS ^[21]の製品などが挙げられます。

• 無線 LANまたはWi-Fi : PHY 部分は、トランシーバーと呼ばれることが多い RF、ミックスドシグナル、アナログ部分と、デジタル信号プロセッサ(DSP) とチャネルコードなどの通信アルゴリズム処理を使用するデジタルベースバンド部分で構成されます。これらの PHY 部分は、システムオンチップ(SOC) 実装のメディアアクセス制御(MAC) 層と統合されるのが一般的です。同様の無線アプリケーションには、 3G / 4G / LTE / 5G、WiMAX、UWB などがあります。
• ユニバーサル シリアル バス(USB): PHY チップは、ホストまたは組み込みシステムのほとんどの USB コントローラーに統合されており、インターフェイスのデジタル部分と変調部分の間のブリッジとして機能します。
• IrDA:赤外線データ協会(IrDA) の仕様には、データ転送の物理層用の IrPHY 仕様が含まれています。
• シリアル ATA (SATA): シリアル ATA コントローラは PHY を使用します。

物理層サービスを提供する技術は以下のとおりです。^[22]

• チャネルモデル
• クロックリカバリ
• データ転送
• 本質安全
• サーデス

• 物理層（レイヤー1）
• 10G レイヤー 1 ウォークスルー