Die Protokolle in den einzelnen Schichten des TCP/IP-Referenzmodells des Internets setzen alle auf einem physikalischen Übertragungsmedium auf. Daher ist in diesem Zusammenhang auch oft die Rede von der sogenannten physikalischen Schicht (Physical Layer), die selbst nicht Bestandteil des eigentlichen TCP/IP- Referenzmodells ist. Zusammen mit den vier Schichten des TCP/IP-Referenzmodells bildet sie das hybride TCP/IP-Referenzmodell. Allgemein werden in der physikalischen Schicht alle physikalischen und technischen Eigenschaften eines zur Datenübertragung genutzten, physikalisches Mediums definiert. Im Mittelpunkt steht dabei die Wechselwirkung zwischen der Netzwerk-Hardware und dem physikalischen Übertragungsmedium.

Festgelegt werden müssen das Layout der Steckverbindungen, deren elektrische bzw. optische Parameter, die Spezifikation der physikalischen Beschaffenheit von Kabeln (elektrisch und optisch), als auch die Spezifikation von Verstärkerelementen, Netzwerkadaptern sowie die verwendeten Datenübertragungsverfahren. Die Grundlage jeder Kommunikation ist die Signalübertragung, d.h. der Transport von Signalen über ein geeignetes Übertragungsmedium, das diese Signale über eine räumliche Distanz weiterleitet. Der Sender nutzt zur Aktivierung eines Übertragungskanals im Übertragungsmedium und zum anschließenden Absetzen einer weiterzuleitenden Nachricht eine Signalquelle, der Empfänger am anderen Ende des Übertragungsmediums besitzt zur Aufnahme des übertragenen Signals eine entsprechende Signalsenke.

Die physikalische Schicht erhält von der darüberliegenden Schicht einen binären Datenstrom aus Nullen und Einsen, der in physikalische Signale übersetzt werden muss. Diese Umsetzung erfolgt mit Hilfe von unterschiedlichen Modulationsverfahren, mit denen über die Variation einzelner bzw. mehrerer Signalparameter Information in das übertragene Signal eingeprägt wird. Die Verfahren unterscheiden sich in der Wahl der variablen Signalparameter, der jeweils gewählten Stärke der Variation und deren Kombination miteinander, wodurch sich unterschiedliche Mengen an Information in gleicher Zeit übertragen lassen. Auf der Seite des Empfängers müssen diese Signale mit Hilfe eines Demodulationsverfahrens wieder aus dem physikalischen Übertragungsmedium zurück in einen Strom binärer Information zurückübersetzt werden.

Da sich im Internet viele Teilnehmer ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium teilen, müssen Verfahren zur effizienten und gerechten Ressourcenzuteilung eingesetzt werden. Der logische Teil zur Lösung dieser Aufgaben obliegt den höher gelegenen Protokollschichten, während auf der physikalischen Schicht die Voraussetzung für die gemeinsame Nutzung des physikalischen Kommunikationsmediums geschaffen werden müssen. Dazu werden bestimmte Bereiche der zu variierenden Signalparameter, wie z.B. Zeit oder Frequenz, bzw. deren Kombination den einzelnen Teilnehmern zugeordnet, so dass diese sich während einer Übertragung nicht gegenseitig stören. Je nach gewähltem physikalischen Kommunikationsmedium und Datenübertragungsverfahren kommen unterschiedliche Verfahren des Multiplexings und Demultiplexings zum Einsatz.