OSI 참조 모델에서 최하위 계층인 물리 계층(physical layer)에서는 물리적인 전송 매체를 통해 데이터를 목적지까지 전송하기 위해 필요한 기능들을 제어한다. 물리 계층은 인터페이스의 기계적, 전기적 규격과 인터페이스를 규정한다. 또한 물리적인 장치와 인터페이스가 전송을 위해 필요한 기능과 처리 절차를 규정한다.

• 기계적 특성 : DTE와 DCE 사이의 물리적인 연결에 관한 사항이다. 주로 케이블의 종류, 커넥터의 외형, 핀 수 등의 내용을 규정한다. 예를 들어 RS-232C는 대표적인 물리 계층의 프로토콜이며 EIA-232C라고도 불린다. 기계적인 규격은 양 끝에 암수의 DB-25 핀 커넥터가 연결된 25선 케이블로 인터페이스를 정의한다. 이 표준은 컴퓨터에서 USB(Universal Serial Bus)가 사용되기 이전에 단말 장치와 모뎀을 연결하는 직렬 포트로 널리 사용되었다.
• 전기적 특성 : 신호 형식(아날로그, 디지털), 전송 방식(베이스밴드 전송, 브로드밴드 전송), 부호화 방식(ASK, FSK, PSK, QAM 등), 변조 방식(AM, FM), 신호의 전압 레벨(논리 1을 +5V로 할 것인지 +12V로 할 것인지), 신호의 타이밍 등 주로 전기적인 특성을 규정한다. 이러한 특성에 따라 전송 거리와 전송 속도가 결정된다.
• 기능적 특성 : 인터페이스의 각 핀이 수행하는 기능을 규정한다. 예를 들면 송신용 핀을 1번으로 할지 3번으로 할지를 정한다.
• 절차적 특성 : 인터페이스의 기능적인 특징을 사용하여 데이터를 교환할 때 일련의 절차를 규정한다. 예를 들면, 인터페이스의 몇 번 핀이 처음으로 동작하여 데이터를 보낼 준비가 완료되었음을 알리고, 모든 전송이 완료되었을 때 또 다른 몇 번 핀으로 신호가 전달되어 이런 사실을 알릴 것인지와 같은 일련의 절차를 규정하고 있다.

[ 그림 2-7 ] 은 전송 매체와 데이터링크 계층에 관련된 물리 계층의 위치를 나타내고 있다.

대표적인 물리 계층 프로토콜에는 ITU-T의 V.21, V.22, V.29, X.21, X.21bis 등과 EIA의 RS232C, RS-442, RS-449 등이 있다. 물리 계층과 관련된 주요 기능은 다음과 같다.

• 인터페이스와 전송 매체의 물리적인 특성 : 장치와 전송 매체 간의 인터페이스 특성을 규정한다. 또한 전송 매체의 유형에 대해서도 규정한다.
• 비트의 표현 : 비트를 전송하려면 전기적인 신호나 광학적인 신호로 부호화해야 한다. 물리 계층은 부호화의 유형을 규정한다(0과 1을 신호로 변환하는 방법).
• 데이터 속도 : 전송 속도(초당 전송되는 비트 수)도 물리 계층에서 규정한다.
• 비트의 동기화 : 송신자와 수신자는 같은 비트를 사용한다. 즉, 송신자와 수신자는 같은 클록을 사용해야 한다.
• 회선 구성 : 2개 이상의 장치들에 대한 물리적인 연결 방법을 제공하는 것으로 점대점 방식과 다중점 방식이 있다. 전송 회선의 공유 여부 및 사용 권한도 규정한다.
• 접속 형태 : 장치들이 어떤 방식으로 연결되어 네트워크를 구성하는지를 결정한다. 메쉬형, 스타형, 링형, 버스형, 혼합형 등이 있다.
• 데이터 전송 방식 : 두 장치 사이의 데이터 전송 방향을 결정한다. 단방향 방식, 반이중 방식, 전이중 방식이 있다.