TCP/IP参考模型的网际层(五层协议中称为网络层)对应OSI参考模型的网络层。网络层通过网络互联和路由选择功能实现主机与网络之间的交互，完成主机到主机的通信。

网络层向传输层提供服务，它提供的服务分为两种：一种服务“面向连接”，一种服务“无连接”。“面向连接”是一种可提供可靠数据传输的方式，在传递数据之前建立逻辑信道，该信道在通信结束前一直存在。“无连接”则不必建立连接，通信双方需要交换的数据以分组为单位独立发送，它只“尽最大努力地交付”，不保证分组的正确顺序、交付时限，甚至也不是百分百实现交付，这种方式下，通信的可靠性由传输层负责。

“面向连接”的方式更可靠，但为“面向连接”这一需求制定的协议比较复杂，相关的软件、硬件设备的设计也比较复杂，一般用于对数据完整性较高的网络中。“无连接”方式只负责传输，不保证可靠性，由此简化了部分网络硬件(如路由器)功能，也能适用于更多应用。这两种方式各有优劣，在实际情境中应按需选择。

网络层中最常使用的协议是IP(Internet Protocol，网际协议)。IP的两个基本功能为寻址和分段。传输层的数据封装完成后并没有直接发送到接收方，而是先递达网络层。网络层在原数据报前添加IP首部，封装成IP数据并解析数据报中的目的地址，为其选择传输路径。IP中这种选择道路的功能也被称为路由功能。此外，IP可重新组装数据报，改变数据报的大小，以适应不同网络对包大小的要求。

IP本身不具备差错控制能力，网络层设计了ICMP(Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议)来辅助IP实现数据的可靠传递，该协议作为IP的一部分，负责差错报告和网络状态报告功能。