Lớp liên mạng trong chồng giao thức TCP/IP tương ứng với lớp mạng trong mô hình OSI. Chức năng chính của tầng mạng là đánh địa chỉ lôgic và định tuyến gói tới đích. Giao thức đáng chú ý nhất ở lớp liên mạng chính là giao thức liên mạng (IP – Internet Protocol). Ngoài ra còn có một số giao thức khác như giao thức thông điệp điều khiển Internet (ICMP), giao thức phân giải địa chỉ (ARP) và giao thức phân giải địa chỉ ngược (RARP). Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các giao thức này.
Giao thức IP
IP là một giao thức phi kết nối và không tin cậy. Nó cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực tối đa. Nỗ lực tối đa ở đây có nghĩa IP không cung cấp chức năng theo dõi và kiểm tra lỗi. Nó chỉ cố gắng chuyển gói tới đích chứ không có sự đảm bảo. Nếu độ tin cậy là yếu tố quan trọng, IP phải hoạt động với một giao thức tin cậy tầng trên, chẳng hạn TCP.
IP được thiết kế cho mạng chuyển mạch gói. Mỗi datagram được xử lý độc lập, mỗi gói có thể đi tới đích trên một đường đi khác nhau, chúng có thể đến sai thứ tự. Một số datagram có thể bị mất, bị hỏng trong khi truyền. IP dựa vào một giao thức tầng cao hơn để xử lý những vấn đề này.
Giao thức IP cung cấp một hệ thống đánh địa chỉ có phân cấp, độc lập với phần cứng và đưa ra các dịch vụ cần thiết cho việc phân phối dữ liệu trên một mạng định tuyến phức tạp. Mỗi bộ thiết bị mạng trên mạng TCP/IP có một địa chỉ IP duy nhất.
Các địa chỉ IP trên mạng được tổ chức sao cho có thể chỉ ra được vị trí của host hay mạng con nơi host cư trú - bằng cách nhìn vào địa chỉ.
Giao thức ICMP
Như đã trình bày ở trên, IP là giao thức chuyển gói phi kết nối và không tin cậy. Nó được thiết kế nhằm mục đích sử dụng có hiệu quả tài nguyên mạng. IP cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực tối đa. Tuy nhiên nó có hai khuyết điểm: thiếu điều khiển lỗi và thiếu các cơ chế hỗ trợ.
Giao thức thông báo điều khiển liên mạng (ICMP – Internet Control Message Protocol) được thiết kế để bù đắp hai khuyết điểm trên. Nó được đi kèm với giao thức IP.
Giao thức ARP và RARP
Để chuyển phát gói tới một trạm hoặc một router, cần có hai mức đánh địa chỉ: lôgic và vật lý. Do vậy, chúng ta cần có thể ánh xạ giữa hai địa chỉ này. Giao thức phân giải địa chỉ (ARP – Address Resolution Protocol) chuyển đổi địa chỉ lôgic thành địa chỉ vật lý. Giao thức phân giải địa chỉ ngược (RARP – Reverse Address Resolution Protocol) chuyển đổi địa chỉ vật lý thành địa chỉ lôgic.