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TCP/IP的网际层对应于OSI模型的网络层，包括IP、ICMP、IGMP，以及ARP和RARP。这些协议处理信息的路由及主机地址解析。
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网际协议（Internet Protocol，IP）所提供的服务通常被认为是无连接的和不可靠的，因此把差错检测和流量控制之类的服务授权给了其他的各层协议，这正是TCP/IP能够高效率工作的一个重要保证。网际层的功能主要由IP来提供，除了提供端到端的分组分发功能外，IP还提供了很多扩充功能。例如，为了克服数据链路层对帧大小的限制，网络层提供了数据分块和重组功能，这使得很大的IP数据包能以较小的分组在网上传输。
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网际层的另一个重要服务是在互相独立的局域网上建立互联网络，即网际网。网间的报文来往根据它的目的IP地址通过路由器传到另一网络。
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地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）用于动态地完成IP地址向物理地址的转换。物理地址通常是指主机的网卡地址（MAC地址），每一网卡都有唯一的地址。
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反向地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol，RARP）用于动态完成物理地址向IP地址的转换。
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网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）是一个专门用于发送差错报文的协议，由于IP协议是一种尽力传送的通信协议，即传送的数据可能丢失、重复、延迟或乱序传递，因此IP协议需要一种尽量避免差错并能在发生差错时报告的机制。
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网际组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）允许Internet主机参加多播，即是IP主机用做向相邻多目路由器报告多目组成员的协议。多目路由器是支持组播的路由器，向本地网络发送IGMP查询。主机通过发送IGMP报告来应答查询。组播路由器负责将组播包转发到网络中所有组播成员。
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