OSI物理层将代表数据链路层帧的比特编码为信号并通过物理介质——铜缆、光纤、和无线介质，用于连接网络设备—传输和接收这些信号。
进入物理层的数据链路层帧包含着代表应用层、表示层、会话层和传输层、网络层信息的比特串。这些比特依照所使用的特定协议和应用的要求而组织其逻辑次序。通过如铜缆、光纤和空气等介质传输。物理介质将产生电压、光或无线电波等信号，从一台设备传输到另一台设备。有可能很多协议的数据流共享此介质，也可能产生物理畸变。物理层设计的重要内容就是减少过载及干扰的影响。
为了使数据链路层帧通过物理介质传输，物理层对数据形式的逻辑帧进行编码以使在介质另一端的设备可以识别。设备可以是转发帧路由器或其他目的设备。
通过本地介质传输帧需要以下一些物理层要素：
物理介质和关联的连接器
在介质上表示比特
数据编码和控制信息
网络设备上的发送器和接收器电路
信号经介质传输后，被解码为代表数据原始格式的比特形式，并封装称为完整的帧送给数据链路层。
主要的介质以及其使用的信号类型：
| 介质 | 信号类型 |
| 铜缆 | 电脉冲信号 |
| 光纤 | 光脉冲信号 |
| 无线 | 无线电信号 |
物理层信号和编码：
在计算机通信中，传送的信息都为二进制形式的数字逻辑。物理层的任务之一就是将逻辑信息转换为物理能量的形式。当在物理介质上传输时，信号用来表示二进制代码。
利用信号在物理介质上表示二进制位有许多不同的方法。每种方法都在称为比特时间的特定时间段内转换为能量脉冲的方法。比特时间是指OSI第2层网卡产生一个比特的数据并将其作为信号送到介质上的时间。对接收者而言，在比特时间内信号一致存在并显示为一个比特值。比特时间内的信号类型依赖于所使用的信号方法。
三种信号特征可以表示被编码的比特：
幅度
频率
相位
幅度是信号周期的一个特征变量，幅度的峰值表示1，幅度的谷底表示0
两种最常用的信号方法是：
不归零(NRZ)
曼彻斯特编码
NRZ采用在一个比特时间内的抽样电压表示1或者0，低电压代表0，而高电压代表1 实际电压值根据标准不同而不同。
NRZ，没有恒定的零电压，有时为了与其他设备同步要有附加的信号。恰恰是这些附加的信号限制了NRZ的效率，如果有电磁干扰存在也容易发生畸变。效率不高的NRZ只能用在低速链路上。
曼彻斯特编码是一种在每个比特时间中间寻找电压变化信号的方法。在比特时间内电压值从低到高跳代表1，从高到低跳代表0 当有重复的比特值，也就是连续的0或者1时，转换将在比特时间的边界发生，重复的升高或降低将发生在比特时间的中间。
曼彻斯特编码是 10BASE-T 以太网的信号标准(10Mbit/s)。更高速的链路需要其他标准。
比特分组
当有很多信号沿介质进行传输时，就需要一种方法定义物理层信号使接收设备能确认那些信号是重要的、需要引起注意的。添加信号模式来标明重要的信号传输是物理层的解决方案。
在高速网络中，代码分组变得更加重要，因为这些网络更容易出错。代码组是预定义的一组比特用来表示一组更大的数据比特。代码组是物理层编码的一部分。
无线介质：
4种常用的数据通信标准可适用于无线介质：
标准IEEE 802.11 通常也称为WiFi，是一种无线LAN(WLAN)技术，它采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)介质访问过程使用竞争或非确定系统
标准IEEE 802.15 无线个域网标准(WPAN)，通常称为“蓝牙”，采用配对过程进行通信，有效距离为1-100m
标准IEEE 802.16 通常称为WiMAX(微波接入全球互通)，采用点到点拓扑结构，提供无线带宽接入
全球移动通信系统(GSM) 包括 可启用第2层通用分组无线技术(GPRS)协议的物理层规范，提供通过
移动电话的无线网络传输
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