Lapisan fisik, atau Physical Layer (Layer 1) dalam Model Referensi OSI tujuh lapisan, adalah fondasi tak terpisahkan dari setiap komunikasi data. Tanpa lapisan ini, semua protokol canggih, enkripsi, dan manajemen sesi di lapisan atas hanyalah teori. Lapisan fisik bertanggung jawab penuh atas transmisi bit-bit data mentah—representasi energi elektrik, gelombang radio, atau cahaya—melalui medium komunikasi.
Tugas utamanya sangat mendasar namun kompleks: memastikan bahwa setiap 0 dan 1 yang dihasilkan oleh lapisan taut data (Layer 2) berhasil diubah menjadi sinyal fisik dan dikirimkan ke perangkat penerima, dan sebaliknya. Lapisan ini tidak peduli tentang makna bit tersebut, alamat tujuan, atau pengelompokan data; fokusnya hanyalah pada pengiriman sinyal yang andal melintasi media.
Ilustrasi Lapisan Fisik sebagai lapisan dasar (Layer 1) dari Model Referensi OSI.
Lapisan fisik memiliki sejumlah tanggung jawab krusial yang menentukan batas kecepatan, jarak, dan keandalan komunikasi data. Semua fungsi ini berputar pada manipulasi sinyal energi.
Ini adalah fungsi inti. Data dari lapisan di atas tiba sebagai bit logis (0 dan 1). Lapisan fisik harus mengubah bit ini menjadi sinyal fisik—pulsa tegangan listrik, perubahan intensitas cahaya, atau frekuensi radio—agar dapat ditransmisikan melalui medium. Di sisi penerima, proses decoding harus dilakukan untuk mengubah sinyal fisik kembali menjadi bit logis.
Pensinyalan mencakup definisi karakteristik sinyal. Misalnya, berapa lama pulsa tegangan harus berlangsung (durasi bit), tingkat tegangan yang mewakili '1' (misalnya, +5 volt) dan '0' (misalnya, 0 volt), serta bentuk gelombang yang digunakan.
Untuk memastikan penerima dapat menafsirkan bit dengan benar, jam pengirim dan penerima harus disinkronkan. Lapisan fisik seringkali menyertakan mekanisme sinkronisasi langsung ke dalam skema pengkodean (misalnya, menggunakan transisi sinyal secara teratur) untuk menandai awal dan akhir setiap bit. Tanpa sinkronisasi yang tepat, bit akan bergeser, menyebabkan kesalahan bit (bit error) yang tinggi.
Lapisan ini mendefinisikan cara perangkat dihubungkan secara fisik (physical topology). Meskipun lapisan yang lebih tinggi menangani topologi logis, Layer 1 menetapkan apakah kabel diatur dalam bentuk bintang (star), cincin (ring), atau mesh, dan bagaimana sinyal bergerak di dalamnya.
Lapisan fisik menetapkan jenis koneksi yang digunakan (kabel tembaga, serat optik, atau nirkabel), serta konektor (misalnya, RJ-45, SC, BNC) dan pinout yang diperlukan untuk memastikan kompatibilitas fisik.
Pilihan media transmisi adalah keputusan terpenting di lapisan fisik karena secara langsung memengaruhi bandwidth, imunitas terhadap noise, biaya, dan jangkauan. Media dibagi menjadi dua kategori besar: media terpandu (guided) dan media tak terpandu (unguided).
Media ini menggunakan jalur fisik tertutup untuk memandu sinyal. Kekuatan utama media terpandu adalah prediktabilitas sinyal dan imunitas noise yang lebih baik dibandingkan media tak terpandu, terutama untuk jarak pendek hingga menengah.
Kabel terpilin (Twisted Pair) adalah media paling umum dalam jaringan LAN modern (Ethernet). Kabel ini terdiri dari delapan konduktor tembaga yang dikelompokkan menjadi empat pasang, yang kemudian dipelintir bersama. Proses pemelintiran (twisting) ini sangat krusial; tujuannya adalah membatalkan interferensi elektromagnetik (EMI) eksternal dan meminimalkan crosstalk (kebocoran sinyal antara pasangan kabel di dalamnya).
Standar kategori (Cat) mendefinisikan kinerja kabel, terutama frekuensi maksimum yang dapat didukung, yang secara langsung berkaitan dengan kecepatan data:
Meskipun sebagian besar digantikan oleh UTP dalam LAN, kabel koaksial (coax) masih digunakan secara luas dalam distribusi video (TV kabel) dan koneksi broadband internet. Kabel ini memiliki konduktor tembaga padat di tengah, dikelilingi oleh lapisan isolator, pelindung jaring, dan jaket luar. Konfigurasi ini menawarkan perisai (shielding) yang lebih baik daripada UTP.
Serat optik merevolusi lapisan fisik, terutama untuk jaringan backbone, MAN (Metropolitan Area Network), dan WAN (Wide Area Network). Media ini mengirimkan data dalam bentuk pulsa cahaya melalui serat kaca atau plastik yang sangat tipis. Karena menggunakan cahaya, serat optik kebal terhadap interferensi elektromagnetik (EMI) dan menawarkan bandwidth serta jarak transmisi yang jauh lebih unggul.
Dua jenis utama serat optik:
Perbedaan fundamental antara media tembaga (elektrik) dan serat optik (cahaya) di Lapisan Fisik.
Media tak terpandu menggunakan gelombang elektromagnetik untuk transmisi tanpa memerlukan jalur fisik. Contoh paling umum adalah komunikasi nirkabel (wireless).
Dalam komunikasi nirkabel, lapisan fisik harus mengatasi tantangan unik seperti multipath propagation (sinyal memantul dari permukaan), fading (sinyal melemah seiring waktu), dan koeksistensi (mengelola banyak perangkat yang berbagi spektrum frekuensi yang sama).
Pensinyalan adalah proses mengubah data digital menjadi sinyal analog yang dapat ditransmisikan, atau mengubah data digital menjadi pulsa digital yang sesuai. Skema pengkodean menentukan bagaimana pola bit diterjemahkan menjadi perubahan sinyal fisik.
Digunakan di sebagian besar LAN (Ethernet). Sinyal digital (pulsa tegangan) dikirimkan langsung tanpa modulasi ke pembawa analog. Baseband menggunakan seluruh kapasitas medium untuk satu saluran komunikasi pada waktu tertentu, ideal untuk transmisi data kecepatan tinggi pada jarak yang relatif pendek.
Menggunakan modulasi analog. Sinyal digital dimodulasi pada frekuensi pembawa analog (carrier wave). Ini memungkinkan multiplexing, di mana banyak saluran data dapat berbagi medium yang sama secara simultan, seperti yang terjadi pada TV kabel atau DSL.
Skema pengkodean garis (Line Coding) adalah metode yang digunakan oleh lapisan fisik untuk mengubah urutan bit menjadi urutan tegangan atau pulsa cahaya. Pilihan skema pengkodean memengaruhi bandwidth yang dibutuhkan, kemampuan sinkronisasi, dan toleransi terhadap kesalahan DC wander (pergeseran level tegangan rata-rata).
NRZ adalah skema paling sederhana. Level tegangan konstan dipertahankan untuk durasi bit; satu level mewakili 1, dan level lainnya mewakili 0. Misalnya, NRZ-L (Level): tegangan positif = 1, nol tegangan = 0.
Kelemahan fatal NRZ adalah kurangnya sinkronisasi ketika ada urutan panjang bit yang sama (misalnya, 11111111 atau 00000000). Jika tidak ada transisi sinyal, penerima tidak bisa menentukan batas bit, menyebabkan bit slip.
NRZI menggunakan transisi sinyal (perubahan tegangan) untuk mewakili salah satu bit, dan tidak adanya transisi untuk bit lainnya. Contoh, transisi menandakan 1, dan tidak ada transisi menandakan 0.
Meskipun lebih baik daripada NRZ, NRZI masih memiliki masalah sinkronisasi ketika menghadapi urutan panjang bit 0 (karena tidak ada transisi).
Skema ini memastikan bahwa selalu ada transisi sinyal di tengah setiap interval bit. Transisi dari rendah ke tinggi (Low-to-High) dapat mewakili 0, dan transisi dari tinggi ke rendah (High-to-Low) mewakili 1 (atau sebaliknya, tergantung standar).
Keunggulan utama Manchester adalah sinkronisasi mandiri (self-clocking). Kekurangannya adalah memerlukan bandwidth dua kali lipat dari NRZ, karena setiap bit membutuhkan dua pulsa (transisi).
Mirip dengan Manchester, tetapi keputusannya didasarkan pada adanya transisi di awal interval bit. Transisi di awal interval bit menandakan 0; tidak ada transisi di awal interval bit menandakan 1. Selalu ada transisi di tengah bit untuk tujuan sinkronisasi.
Digunakan dalam standar Token Ring, ia menggabungkan sinkronisasi yang kuat dengan imunitas terhadap pembalikan polaritas.
Untuk mencapai kecepatan yang lebih tinggi tanpa meningkatkan bandwidth secara drastis (seperti yang dilakukan Manchester), skema blok diperkenalkan. 4B/5B, yang digunakan dalam 100BASE-TX (Fast Ethernet), mengambil 4 bit data dan mengubahnya menjadi 5 simbol bit. Tujuannya adalah untuk memastikan bahwa tidak pernah ada lebih dari tiga bit 0 berturut-turut, sehingga menjamin adanya transisi sinyal yang cukup untuk menjaga sinkronisasi.
Skema yang lebih canggih seperti 8B/10B dan 64B/66B digunakan dalam Gigabit Ethernet dan 10 Gigabit Ethernet, yang sangat efisien dalam menjaga keseimbangan DC dan menyediakan sinkronisasi melalui redundansi kode.
Perbedaan antara NRZ-L (rentan sinkronisasi) dan Manchester (self-clocking).
Sinyal yang bergerak melalui medium fisik tidak pernah sempurna. Lapisan fisik harus dirancang untuk mengatasi berbagai bentuk degradasi sinyal yang membatasi kecepatan, jarak, atau keduanya.
Atenuasi adalah hilangnya kekuatan sinyal seiring jarak tempuh. Untuk sinyal listrik, energi diserap oleh resistansi kawat; untuk cahaya, energi tersebar dalam serat optik. Sinyal yang terlalu lemah akan sulit dibedakan dari noise, sehingga perlu adanya batasan jarak (misalnya, 100 meter untuk UTP) atau penggunaan perangkat penguat sinyal.
Noise adalah sinyal yang tidak diinginkan yang mengganggu sinyal asli. Sumber noise sangat bervariasi:
Untuk mengatasi noise, lapisan fisik menggunakan pelindung (shielding), pemelintiran kawat (twisting), dan peningkatan daya sinyal asli (menggunakan rasio Sinyal-ke-Noise yang tinggi).
Dispersi adalah penyebaran sinyal seiring waktu. Ini sangat penting dalam serat optik multi-mode, di mana mode cahaya yang berbeda mengambil jalur yang berbeda dan tiba pada waktu yang berbeda, menyebabkan pulsa cahaya melebar dan tumpang tindih (Inter-Symbol Interference/ISI). Distorsi terjadi ketika sinyal kehilangan bentuk aslinya, membuat decoding sulit di sisi penerima.
Perangkat yang beroperasi murni di lapisan fisik tidak memiliki kemampuan untuk membaca alamat MAC atau IP; mereka hanya memproses dan meregenerasi sinyal fisik.
Repeater menerima sinyal yang dilemahkan dari satu segmen media, memperkuatnya kembali ke level daya aslinya, dan mengirimkannya lagi. Repeater mengatasi masalah atenuasi, tetapi ia tidak dapat memfilter noise atau sinyal yang rusak—ia hanya mereplikasi semuanya, termasuk noise.
Hub adalah repeater multi-port. Ketika sinyal diterima pada satu port, hub mereplikasi sinyal tersebut dan mengirimkannya ke semua port lain. Hub menciptakan domain kolisi tunggal, yang membatasi efisiensi jaringan karena semua perangkat harus berbagi bandwidth yang sama. Hub dianggap sebagai teknologi warisan dan digantikan oleh switch (Layer 2).
NIC adalah titik antarmuka antara perangkat komputasi (host) dan media jaringan. NIC bertanggung jawab atas dua tugas Layer 1 dan Layer 2:
Transceiver (Transmitter/Receiver) adalah komponen spesifik dalam NIC (atau perangkat terpisah seperti SFP/GBIC) yang melakukan konversi sinyal fisik (misalnya, listrik ke optik).
Modem beroperasi di lapisan fisik untuk memungkinkan transmisi data digital melalui saluran analog (seperti saluran telepon atau TV kabel). Modem mengubah sinyal digital dari komputer menjadi sinyal analog yang dapat dilewatkan (modulasi) dan mengubah sinyal analog yang diterima kembali menjadi digital (demodulasi).
Standar IEEE 802.3 adalah contoh paling dominan dari implementasi lapisan fisik modern. Meskipun lapisan taut data (Layer 2) Ethernet menentukan format frame, Layer 1 menetapkan bagaimana sinyal tersebut benar-benar ditransmisikan.
Standar ini menggunakan kabel UTP Cat 3 atau Cat 5, dengan kecepatan 10 Mbps. Angka 10 mengacu pada kecepatan (Mbps), BASE mengacu pada baseband signaling, dan T mengacu pada kabel twisted pair.
Untuk mencapai 100 Mbps, Fast Ethernet menggunakan UTP Cat 5 atau Cat 5e. Transmisi ini menggunakan dua pasang kabel (satu untuk Tx, satu untuk Rx) dan mengadopsi skema pengkodean 4B/5B untuk efisiensi yang lebih baik daripada Manchester, yang terlalu boros bandwidth pada kecepatan ini.
Gigabit Ethernet di atas tembaga (UTP Cat 5e atau lebih tinggi) mencapai 1 Gbps dengan melakukan lompatan teknologi signifikan di Layer 1. Alih-alih hanya menggunakan dua pasang kawat, 1000BASE-T menggunakan keempat pasang kawat secara simultan dan bidireksional (full-duplex pada setiap pasangan). Untuk mengelola transmisi dua arah pada kabel yang sama, ia menggunakan:
Memungkinkan 10 Gbps di atas UTP Cat 6a hingga 100 meter. Layer fisik ini sangat kompleks karena frekuensi yang sangat tinggi membuat kabel rentan terhadap Alien Crosstalk (AXT), yaitu interferensi dari kabel tetangga. Pengurangan AXT harus dilakukan secara cermat, seringkali memerlukan peningkatan isolasi fisik kabel (Cat 6a).
Lapisan fisik untuk serat optik ditentukan oleh panjang gelombang (λ) cahaya yang digunakan, jenis serat (single-mode atau multi-mode), dan jangkauan maksimum:
Standar IEEE 802.11 (Wi-Fi) mendefinisikan lapisan fisik yang jauh lebih kompleks daripada Ethernet kabel karena harus berbagi medium tak terpandu (udara) dan mengatasi interferensi.
Lapisan fisik nirkabel dibagi menjadi dua bagian utama:
Teknologi Wi-Fi modern (802.11a/g/n/ac/ax) mengandalkan Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). OFDM memecah saluran frekuensi lebar menjadi banyak sub-saluran sempit yang berdekatan. Setiap sub-saluran mengirimkan bit dengan kecepatan rendah. Keuntungan OFDM adalah ketahanan yang sangat baik terhadap multipath fading (sinyal pantulan) yang sering terjadi di lingkungan dalam ruangan.
Lapisan fisik Wi-Fi juga mencakup teknologi canggih untuk meningkatkan efisiensi spektral:
Kinerja Lapisan Fisik diukur menggunakan metrik yang berbeda dari lapisan di atasnya, karena fokusnya adalah pada sinyal dan kapasitas mentah.
Ini adalah perbedaan penting dalam Lapisan Fisik:
Dalam skema pengkodean sederhana (seperti NRZ), 1 simbol membawa 1 bit, sehingga Baud Rate = Bit Rate. Namun, dalam skema canggih seperti QAM atau PAM-5 (Gigabit Ethernet), 1 simbol dapat membawa 2, 4, atau bahkan lebih bit data. Jadi, Bit Rate jauh lebih tinggi daripada Baud Rate, yang memungkinkan kecepatan tinggi tanpa memerlukan frekuensi pensinyalan yang tidak praktis.
Bandwidth di Layer 1 diukur dalam Hertz (Hz), yang merupakan rentang frekuensi yang dapat didukung oleh medium (misalnya, UTP Cat 6 mendukung hingga 250 MHz). Kapasitas maksimum suatu saluran, dalam bit per detik, dibatasi oleh hukum fisika yang dirangkum dalam Teorema Kapasitas Shannon. Teorema ini menyatakan bahwa kapasitas maksimum dipengaruhi oleh bandwidth (Hz) dan rasio Sinyal-ke-Noise (SNR).
BER adalah rasio antara jumlah bit yang diterima dengan benar dan jumlah total bit yang ditransmisikan. Lapisan fisik yang baik harus memiliki BER yang sangat rendah (misalnya, $10^{-10}$ atau lebih baik). Setiap kegagalan dalam decoding sinyal (misalnya karena noise atau atenuasi) akan meningkatkan BER, yang kemudian harus ditangani oleh pemeriksaan kesalahan di Layer 2 (seperti CRC).
Lapisan fisik adalah jembatan yang mengubah konsep abstrak data digital menjadi realitas energi yang bergerak. Meskipun sering diabaikan dibandingkan protokol-protokol di lapisan yang lebih tinggi, efisiensi dan keandalan jaringan sepenuhnya bergantung pada implementasi Layer 1 yang solid.
Dari keahlian insinyur dalam memelintir kawat tembaga secara presisi untuk melawan crosstalk, hingga pengembangan modulasi cahaya multi-gigabit di serat optik, hingga penggunaan MIMO dan OFDM untuk menghadapi medan yang bergejolak di udara, lapisan fisik terus berevolusi. Inovasi di lapisan ini adalah yang memungkinkan kita untuk menikmati kecepatan 100 Gbps di pusat data dan jaringan 5G nirkabel yang semakin cepat, menegaskan bahwa dasar-dasar fisika komunikasi tetap menjadi kunci utama dalam dunia jaringan modern.
Untuk memahami kedalaman Lapisan Fisik, perluasan detail teknis mengenai aspek-aspek yang sering tersembunyi di balik spesifikasi standar sangatlah penting. Salah satunya adalah konektor dan aspek instalasi fisik yang ketat.
Dalam jaringan Ethernet berbasis UTP, standar T568A dan T568B mendefinisikan urutan pinout (susunan kawat pada konektor RJ-45). Meskipun perbedaan antara A dan B hanyalah pertukaran posisi dua pasang kabel (hijau dan oranye), kepatuhan terhadap standar ini sangat vital untuk fungsionalitas Layer 1. Jika pinout tidak diikuti dengan benar, kabel tidak akan berfungsi (disebut miswired) atau akan memiliki kinerja crosstalk yang buruk.
Banyak skema pengkodean, terutama NRZ, dapat menghasilkan sinyal di mana level tegangan rata-rata dalam jangka panjang tidak nol. Ini disebut DC bias atau DC wander. Masalah ini menyebabkan kesulitan pada perangkat yang menggunakan transformator (seperti yang ada di NIC Ethernet) dan juga menyulitkan pemulihan jam (clock recovery).
Lapisan fisik modern mengatasi ini dengan skema pengkodean yang bersifat DC balanced atau run-length-limited (RLL). Misalnya, dalam 8B/10B, setiap 8 bit data dipetakan ke 10 simbol bit yang dijamin memiliki jumlah '1' dan '0' yang hampir sama, sehingga menjaga tegangan rata-rata mendekati nol.
Sebelum adanya OFDM, teknologi Wi-Fi awal (802.11b) menggunakan teknik Spread Spectrum untuk meningkatkan ketahanan terhadap interferensi dan noise, sambil berbagi spektrum yang sama:
Dalam manajemen Lapisan Fisik serat optik, alat khusus sangat diperlukan. OTDR bekerja dengan mengirimkan pulsa cahaya ke dalam serat dan menganalisis cahaya yang dipantulkan kembali. Alat ini dapat secara tepat mengukur atenuasi, mengidentifikasi lokasi sambungan (splice), dan menemukan titik putus atau kerusakan fisik pada kabel optik. OTDR adalah contoh sempurna dari perangkat Layer 1 yang berfokus sepenuhnya pada karakteristik fisik media.
Seiring permintaan data meningkat, lapisan fisik harus mengatasi tantangan yang semakin besar untuk mencapai kecepatan 40G, 100G, dan 400G.
Pada kecepatan yang sangat tinggi, menjadi sulit untuk mengirimkan semua data melalui satu pasang kawat atau satu serat optik. Solusinya sering kali kembali ke transmisi paralel di lapisan fisik, tetapi dengan cara yang canggih:
PoE adalah implementasi Layer 1 yang unik di mana daya listrik disalurkan bersamaan dengan data melalui kabel UTP. Standar PoE (IEEE 802.3af, at, dan bt) mendefinisikan pin mana yang membawa daya dan level tegangan yang aman. Meskipun menyediakan daya adalah fungsi listrik, integrasinya dengan transmisi data dan keharusan untuk tidak mengganggu integritas sinyal membuatnya menjadi pertimbangan krusial dalam desain lapisan fisik modern, terutama untuk perangkat seperti kamera IP dan Access Point Wi-Fi.
Pada frekuensi tinggi (Gigabit ke atas), toleransi terhadap jitter (variasi timing yang tidak diinginkan dari sinyal jam) dan skew (perbedaan waktu kedatangan sinyal pada pasangan kabel yang berbeda) menjadi sangat ketat. Lapisan fisik harus menggunakan sirkuit jam pemulihan (Clock Recovery Circuits) yang sangat presisi dan desain kabel yang meminimalkan perbedaan panjang antara pasangan kawat (toleransi skew diukur dalam pikosekon).
Pada akhirnya, lapisan fisik adalah arsitektur yang menjamin bahwa semua bit—apakah melalui tembaga, udara, atau cahaya—tiba sesuai dengan standar waktu dan bentuk yang telah disepakati. Kerumitan dan detail dalam standar Layer 1 (seperti 802.3z atau 802.11ax) jauh melampaui sekadar menyambungkan kabel; ia adalah ilmu fisika terapan yang menopang seluruh infrastruktur digital.