物理層

物理層：データ伝送の基礎

コンピューターネットワークにおいて、データの送受信を支える最も基礎的な層が物理層です。OSI参照モデルの第一層に位置し、電気信号や光信号といった物理的な現象を用いて、機器間のデータ伝送を実現します。

物理層の役割

物理層の主要な役割は、上位層からのデータを受け取り、それを物理的な信号に変換して伝送媒体に送出し、逆に伝送媒体から受信した物理的な信号をデータに変換して上位層に渡すことです。この過程において、以下の機能が求められます。

伝送媒体の選択と利用: 銅線、光ファイバー、無線など、様々な伝送媒体が利用されます。物理層は、通信状況や要件に応じて適切な媒体を選択し、その特性を最大限に活用します。
信号変換: 上位層から受け取ったデジタルデータを、伝送媒体に適したアナログ信号（電気信号や光信号）に変換し、送受信します。この変換には、様々な変調方式や符号化方式が用いられます。
機器間の接続互換性: 異なる機器間でも通信できるように、コネクタ形状、信号規格、伝送速度などが標準化されています。オートネゴシエーション機能などにより、接続機器間の自動的なパラメーター調整も行われます。
回線共有: 複数の機器が同一の伝送媒体を共有する場合は、衝突回避、多重化、送受信の切り替えなどの制御が必要になります。半二重通信と全二重通信といった通信方式の違いも、物理層で決定されます。
* 通信信頼性と効率向上: 信号処理技術（イコライザ、フィルタなど）や誤り検出・訂正によって、データ伝送の信頼性と効率を高めます。

物理層の構成と実装

物理層は、具体的な実装方法によって様々な構成を持ちます。例えば、ITU-T G.9960では、物理層をさらに複数の副層に分割しています。また、イーサネットのように、物理符号化層（PCS）と物理媒体依存層（PMD）といった複数の層に分けて実装されることもあります。

イーサネット物理層

イーサネットは、最も広く普及しているLAN技術であり、その物理層は様々な規格が存在します。1000BASE-T、2.5G/5G/10GBASE-T、10メガビットイーサネットなど、伝送速度や伝送媒体によって異なる実装が用いられます。これらの規格では、PCSとPMA（物理媒体接続層）が重要な役割を果たし、さらにオートネゴシエーション層が機器間の通信速度の自動調整を行います。光ファイバーを用いたイーサネット（1000BASE-X、10GBASE-Wなど）では、PMD層が光信号の送受信を担当します。

無線LAN（Wi-Fi）物理層

無線LANでは、PHYはトランシーバとデジタルベースバンド部から構成されます。トランシーバは無線信号の送受信を行い、デジタルベースバンド部はデジタル信号処理、符号化、復号化などを担当します。多くの場合、MAC層と統合されたSoCとして実装されています。

その他の物理層

USB、IrDA、シリアルATAなど、様々なインターフェースにも物理層が存在し、それぞれの規格に合わせた実装が行われています。これらの物理層は、多くの場合、コントローラチップに統合されています。

PHYチップ

物理層の機能を実装したチップをPHY（Physical Layer）チップと呼びます。イーサネットPHYは、MAC（Media Access Control）層と物理的な伝送媒体を接続する役割を持ち、PCSとPMAの機能を統合している場合が多いです。様々なメーカーから、様々な規格に対応したPHYチップが提供されています。（例：マイクロセミ、マーベル・アラスカ、テキサス・インスツルメンツ、インテル、ルネサス、Realtekなど）

まとめ

物理層は、コンピューターネットワークにおけるデータ伝送の基礎となる重要な層です。様々な伝送媒体、通信方式、そしてPHYチップといった具体的な実装技術によって、データの信頼性の高い、効率的な送受信を支えています。この層の理解は、ネットワーク技術を深く理解する上で不可欠です。

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