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网际层是整个TCP/IP协议簇的重点。网际层定义的协议有IP、ARP、RARP、ICMP。
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IP（Internet Protocol）所提供的服务通常被认为是无连接的和不可靠的。事实上，在网络性能良好的情况下，IP传送的数据能够完好无损地到达目的地。所谓无连接的传输，是指没有确定目标系统是否已做好接收数据准备之前就发送数据。与此相对应的就是面向连接的传输（如TCP），在该类传输中，源系统与目的系统在应用层数据开始传送之前需要进行三次握手建立连接。至于不可靠的服务是指目的系统不对成功接收的分组进行确认，IP只是尽可能地使数据传输成功。但是只要保证传输成功的需要，上层协议可以实现用于保证分组成功提供的附加服务。
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由于IP只提供无连接、不可靠的服务，所以把差错检测和流量控制之类的服务授权给了其他各层协议，这正是TCP/IP能够高效率工作的一个重要保证。
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IP协议的主要功能包括：将上层数据（如TCP、UDP数据）或同层的其他数据（如ICMP数据）封装到IP数据报中；将IP数据报传送到最终目的地；为了使数据能够在链路层上进行传输，对数据进行分段；确定数据报到达其他网络中的目的地的路径。
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IP协议软件的工作流程：当发送数据时，源计算机上的IP协议软件必须确定目的地是在同一个网络上，还是在另一个网络上。IP通过执行这两项计算并对结果进行比较，才能确定数据到达的目的地。如果两项计算的结果相同，则数据的目的地确定为本地网络，否则，目的地应为远程的其他网络。如果目的地在本地网络，那么IP协议软件就启动直接通信；如果目的地是远程计算机，那么IP必须通过网关（或路由器）进行通信，在大多数情况下，这个网关应当是默认网关。当源IP完成了数据报的准备工作时，它就将数据报传递给网络接口层，网络接口层再将数据报传送给传输介质，最终完成数据帧发往目的计算机的过程。
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当数据抵达目的计算机时，网络接口层首先接收该数据。网络接口层要检查数据帧有无错误，并将数据帧送往正确的物理地址。假如数据帧到达目的地时正确无误，网络接口层便从数据帧的其余部分中提取有效数据，然后将它一直传送到帧层次类型域指定的协议。在这种情况下，可以说数据有效负载已经传递给了IP。
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地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP）及逆向地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol, RARP）是驻留在网际层中的另一个重要协议。ARP的作用是将IP地址转换为物理地址，RARP的作用是将物理地址转换为IP地址。
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Internet控制信息协议（Internet Control Message Protocol, ICMP）是网际层的另一个比较重要的协议。由于IP协议是一种尽力传送的通信协议，即传送的数据报可能丢失、重复、延迟或乱序传递，所以IP协议需要一种在发生差错时报告的机制。ICMP就是一个专门用于发送差错报文的协议。ICMP定义了5种差错报文（源抑制、超时、目的不可达、重定向、要求分段）和4种信息报文（回应请求、回应应答、地址屏蔽码请求、地址屏蔽码应答）。IP在需要发送一个差错报文时要使用ICMP，而ICMP也是利用IP来传送报文的。ICMP是让IP更加稳固、有效的一种协议，它使IP传送机制变得更加可靠。ICMP还可以用于测试网络，以得到一些有用的网络维护和排错的信息。例如，ping工具就是利用ICMP报文进行目标可达性测试。
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