物理層の役割
データリンク層に対してビットの伝送サービスを提供します。ビットの伝送は電磁波や光を用いて行われており、ご存知の通り前者は無線通信、後者は有線通信で用いられています。
如何に多くのビットを誤り無く伝送するかが、この物理層に掛かっているというわけです。
多くのビットを送信する方法
多くの情報を載せたい場合は周波数を高くすることが重要です。高い周波数を取り扱えば、素早い「0」と「1」の切り替えに対応することができます。すなわち多くの情報を短時間に詰め込むことが出来るのです。
ブロードバンドとナローバンド
ラジオの電波放送を聞く機会はあるでしょうか？ワタシは自動車を運転する際にはいつもラジオを聴いています。聴きたいラジオ局に応じて周波数を変える必要がありますが、このラジオ局の周波数は、実はその前後に数kHzも実際には通信に使われているのはご存知でしょうか。
つまり、ラジオ局の周波数とその数kHz、例えば前後「5kHz」を使います、という形である程度周波数に幅を持っているのです。この幅のことを「帯域」と言います
ラジオでは帯域はせいぜい数kHzですが、テレビの放送ではより多くの情報を送信する必要があるため数MHzの帯域が用いられています。
この帯域の幅が広いものを「ブロードバンド」と言い、狭いものを用いたものを「ナローバンド」と言います。
現在では通信速度が速いものをブロードバンド、遅いものをナローバンドなどと表現します。これは、ブロードバンドでは帯域を広く取るため必然的に高い周波数をたくさん用いることになり、結果的に時間あたりに送信できるビット数は多くなるためです。通信速度は速くなります。
物理層での技術
伝送の誤りと雑音
ナローバンドでは用いる帯域が狭いために波で表現できるビットの変動に制限を受けます。フーリエ変換を知っていれば何となく想像がつくでしょう。用いる波の周波数が制限されていると、本来の波形の近似が荒くなってしまうのです。それでも答えが「0」か「1」であると知っていれば、ある程度復元はできます。このことを考慮に入れて、ビット列を送信しなければなりません。
これは帯域が決まれば自ずと決まる話なので問題ないでしょう。ラジオにはラジオ、テレビにはテレビの帯域を用いるようにすれば十分です。
しかし、電波や光は物理現象ですから、「熱」などの影響で波形が変化してしまうことが実際に起こってきます。その結果、復元されたビット列が、本来送信されたビット列と異なってしまっていることも起こってくるのです。
それに対処すべく符号化理論では、ビットに誤りが生じていてもそれを訂正することが出来るようなアルゴリズムが開発されています。しかし、それによって本来送るべき情報にプラスして訂正に用いる手がかりを情報として送信する必要があり、伝送効率は悪くなります。
この効率を高めながらも高性能な訂正能力を持つアルゴリズムの研究も行われているでしょう。
同軸ケーブル
同軸ケーブルは情報を電気信号で送信するためのケーブルです。
wikipedia
1.内部導体（銅線）
2.絶縁体
3.外部導体（編み組み銅線）
4.保護被覆（ビニル、プラスチック）
により構成されています。
物理学者オリヴァーヘビサイドにより発明されたもので、後述する光ファイバーよりも柔軟性を持っており扱いやすいのが特徴です。高周波、低周波、直流にも対応することができます。
光ファイバー
現在家庭用での高速通信と言えば、この光ファイバーが用いられていますね。
(wikipedia)
光は電気に比べ信号の減衰が少なく長距離通信を可能にします。当然光自身が高速で移動するため、通信速度も飛躍的に向上することが可能です。
光ファイバーは、クラッドよりもコアの屈折率を高くすることで、コア内の光は全反射を起こし、光ファイバーの中心部であるコアのみを光が伝搬するようにします。シングルモードとマルチモードの違いは光が通る幅の大きさが異なります。
材料としてはガラスやプラスチックが用いられます。同軸ケーブルに比べ折れて破損しやすいため、形状に対する柔軟性は低いです。しかし（折り曲げるのは無理にしても）現在はかなりの柔軟に扱うことが出来るようです。
より対線
より対線は、電線を二本ペアにすることで磁束の影響を打ち消す技術です。
これによりノイズの影響を単なる平行線に比べ受けにくくなります。
(wikipedia)
有線LANケーブルをコンピュータに接続している場合きっと用いていることでしょう。
より対線は幾つかのカテゴリに分かれて規格化がなされており、カテゴリに応じて対応できる通信速度や機能に制限があります。基本的にカテゴリー◯と書かれており、数字が高いほど性能が良いと考えていいです。
光回線が向上して、高速通信が可能となったとしてもコンピュータに繋がれたLANの性能が悪ければその恩恵は受けられません。カテゴリー5を買っておくと、技術が発展してもしっかり恩恵を受けられるでしょう。
通信方式
ビット列を波形として送信する際には、ビット列としての波形をそのままに保つ方法と変調をする方法があります。ラジオなどでは変調の方式が用いられており、AMラジオは振幅変調を、FMラジオは周波数変調を用いています。
(wikipedia:振幅変調)
上：変調前
中：変調に用いる信号
下：送信波
(wikipedia:周波数変調)
IEEE802.3によるLANの規定
10BASE-5
10BASE-2
10BASE-T
100BASE-T
1000BASE-T
などがある（他にもたくさん）。これらは伝送速度LANの形状（トポロジ）や用いている媒体、伝送距離によって分類されています。
基本的に認識しておくべきなのは、一番左の数字が伝送速度を表しているということでしょう。例えば「10BASE-◯」は全て10Mbps(1秒あたり10Mbit)の送信が行えます。もちろん「1000BASE-◯」ならば1000Mbps=1Gbpsの送信が行えるというわけです。
今は伝送速度の向上によって、「10GBASE-T」なども出てきています。
無線LAN
無線LANはポケットwifiのような移動体通信に適応ができ、現在欠かせない技術になっています。一方で有線LANに比べ信頼性の確保が難しく、ノイスの影響を受けやすいという特徴もあります。
無線LANの話ではデータリンク層で扱われるMAC副層も必要になります。
無線LANの種類
無線LANにも様々な規格があり、現在スマホやポケットwifiに用いられているのはLTE(3.9G)やwimaxです。近々LTE-advanced(4G)や5Gも登場するでしょう。
他にもBluetoothやPHSと呼ばれるものも無線LANの一種です。
無線LANの基本構成
無線LANは以下の2つの基本構成を組み合わせて構成されます。
１．アドホックモード
それぞれの端末に設置された無線LANのアダプタが直接通信を行います。基本的に通信を行う端末は近い位置にある必要があります。アドホックモードで接続している端末を、バケツリレー的に繋ぐことで、離れた端末との通信を行うこともできます。
２．インフラストラクチャーモード
通信端末は、アクセスポイントを介して通信を行い、互いに直接通信を行うということはしません。複数台を同時に接続したい場合、基本的にこちらが用いられます。
以上の2つを組み合わせることで無線LANを構成します。
その他の層
その他の層に関するリンクは以下でまとめています。
