互聯網協議IP是互聯層最重要的協議，它將多個網絡連成一個互聯網，可以把高層的數據以多個數據報的形式通過互聯網分發出去。互聯層的功能主要由IP來提供，主要用於負責IP尋址，路由選擇和IP數據包的分割和組裝。
IP的基本任務是通過互聯網傳送數據報，各個IP數據報之間是相互獨立的。主機上的IP層向傳輸層提供服務，IP從源傳輸實體取得數據，通過它傳給目的主機的IP層。IP不保證服務的可靠性，在主機資源不足的情況下，它可能丟棄某些數據，同時IP也不檢查被丟棄的報文。
在傳送時，高層協議將數據傳給IP，IP再將數據封裝爲互聯網數據報，並交給主機——網絡層協議通過局域網傳送。若目的主機直接連在本網中，IP可直接通過網絡將數據報傳給目的主機，若目的主機在遠地網絡中，則IP路由器傳送數據報，而路由器則依次通過下一網絡將數據報傳送到目的主機或再下一個路由器。也即一個IP數據報是通過互聯網絡，從一個IP模塊傳到另一個IP模塊，直到終點爲止。
IP協議提供了不可靠，無連接的數據報傳輸機制，TCP/IP是爲了適應物理網絡的多樣性而設計的，而這種適應性主要是通過IP層來體現的。由於物理網絡的多樣性，各種物理網絡的數據幀格式，地址格式之間差異很大。爲了將這些底層的細節屏蔽起來，使得采用不同物理網絡的網絡之間進行通訊，TCP/IP分別採用了IP數據報和IP地址作爲物理數據幀和物理地址的統一形式。這樣IP層向上層提供統一的IP數據報和統一的IP地址，使得各種物理幀 及物理地址的差異性對上層協議不復存在。
2.ARP協議（地址轉換協議）
在TCP/IP網絡環境下，每個主機都分配了一個32位的IP地址，這種互聯網地址是在網際範圍標識主機的以一種邏輯地址。爲了讓報文在物理網上傳送，必須知道彼此的物理地址。這樣就存在把互聯網地址變換爲物理地址的地址轉換問題。以以太網環境爲例，爲了正確地向目的站傳送報文，必須把目的站的32位IP地址轉換成48位以太網目的地址DA。這就需要在互聯層有一組服務將IP地址轉換爲相應物理網絡地址，這組協議即是ARP。
在進行報文發送時，如果源互聯層所給的報文只有IP地址，而沒有對應的以太網地址，則互聯層廣播ARP請求以獲取目的站信息，而目的站必須回答該ARP請求。這樣源站點可以收到以太網48位地址，並將地址放入相應的高速緩存，下一次源站點對同一目的站點的地址轉換可直接引用高速緩存中的地址內容。地址轉換協議ARP讓主機可以找出同一物理網絡中任一個物理主機的物理地址，只需給出目的主機的IP地址即可。這樣，網絡的物理編址可以對網絡層服務透明。
在互聯網環境下，爲了將報文送到另一個網絡的主機，數據報先定向到發送方所在網絡的IP路由器。因此，發送主機首先必須確定路由器的物理地址，然後一次將數據報發往接受端。除基本ARP機制外，有時還須在路由器上設置代理ARP，其目的是由IP路由器代替目的站對發送方ARP請求做出響應。
4.反向地址轉換協議RARP
反向地址轉換協議用於一種特殊情況，如果站點初始化以後，只有自己的物理網絡地址，而沒有IP地址，則它可以通過RARP協議，發出廣播請求，徵求自己的IP地址，而RARP服務器則負責回答，這樣，無IP地址的站點可以通過RARP協議取得自己的IP地址，這個地址在下一次系統重新開始以前都有效，不用連續廣播請求。RARP廣泛用於獲取無盤工作站的IP地址。
5.ICMP協議
互聯網控制報文協議ICMP，從IP互聯網協議的功能，可以知道IP提供的是一種不可靠的無連接報文分組傳送服務。若路由器或主機故障讓網絡阻塞，就需要通知發送主機採取響應措施。
爲了使互聯網能報告差錯，或提供有關意外情況的信息，在IP層加入了一類特殊用途的報文機制，即互聯網控制報文協議ICMP。
分組接收方利用ICMP來通知IP模塊發送方某些方面所需的修改。ICMP通常是由發現別的站發來的報文有問題的站產生的，例如可由目的主機或中繼路由器來發現問題併產生有關的ICMP。如果一個分組不能傳送，ICMP便可以被用來警告分組源，說明有網絡。主機 或端口不可達，ICMP也可以用來報告網絡阻塞。ICMP是IP正式協議的一部分，ICMP數據報通過IP送出，因此它在功能上屬於網絡第三層，但實際上它是像第四層協議一樣被編碼的。