Giao thức TCP IP là kết quả nghiên cứu và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do ARPA thuộc Bộ quốc phòng Hoa kỳ tài trợ.

Khái niệm giao thức TCP IP dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet. Cho đến nay, TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau. Trong đó có các mạng máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.

Khác với OSI, thực ra không có một mô hình giao thức nào được công bố chính thức cho TCP/IP. Tuy nhiên, có thể sắp xếp thành năm lớp độc lập là lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập mạng và lớp vật lý.

Nếu tách riêng TCP và IP thì đó là những chuẩn riêng về giao thức truyền thông, tương đương với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI. Nhưng người ta cũng dùng TCP/IP để chỉ một mô hình truyền thông, ra đời trước khi có chuẩn OSI.

Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau. Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt.

• FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file.
• TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa.
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện tử.
• SNMP (Simple Network Management Protocol) cho quản trị mạng.
• DNS (Domain Name Service) phục vụ quản lý và tra cứu danh sách tên và địa chỉ Internet.

Các lớp ứng dụng sử dụng giao thức truyền thông TCP hoặc UDP để gửi và nhận dữ liệu trên mạng. Các giao thức này cung cấp các cơ chế để đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của dữ liệu được truyền qua mạng.

Cơ chế bảo đảm dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu. Chính vì thế, cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển.

Lớp vận chuyển chịu trách nhiệm về các kết nối điểm đến điểm đến, đảm bảo rằng dữ liệu được gửi từ một máy tính có thể được nhận bởi một máy tính khác.

Lớp vận chuyển sử dụng hai giao thức chính: TCP và UDP. Giao thức TCP là có tính ổn định, đảm bảo rằng các gói dữ liệu được truyền tải đầy đủ, chính xác và đúng trình tự.

TCP sử dụng cơ chế kiểm soát lưu lượng và cơ chế điều khiển lỗi để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. UDP lại là một giao thức có nhược điểm là độ tin cậy không cao, không đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, nhưng bù lại nó có tốc độ truyền tải nhanh hơn so với TCP.

Lớp vận chuyển cũng cung cấp các dịch vụ khác như phân đoạn, gộp các phân đoạn, điều khiển lưu lượng, điều khiển lỗi và điều khiển kết nối.

Có thể nói, TCP là giao thức tiêu biểu nhất, nó hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Bên cạnh TCP, giao thức UDP cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển. Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không có nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu.

Tuy nhiên, UDP lại đơn giản và hiệu suất, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lý giao thức tối thiểu, vì vậy thường được dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng; một ví dụ tiêu biểu là giao thức SNMP.

Lớp Internet trong kiến trúc giao thức TCP/IP là lớp định tuyến, đảm bảo việc đưa các gói tin đến đúng đích trên mạng. Lớp Internet cũng đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong quá trình định tuyến và hỗ trợ việc phân đoạn và gộp các phân đoạn của các gói tin lớn. Lớp này sử dụng giao thức Internet Protocol (IP) để định tuyến các gói tin trên mạng.

Giao thức IP đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến các gói tin, nó phân chia dữ liệu thành các gói tin nhỏ hơn và gắn thêm địa chỉ IP của máy chủ đích và máy chủ nguồn vào đầu gói tin. Khi một gói tin được gửi từ máy tính nguồn đến máy tính đích, lớp Internet sẽ sử dụng địa chỉ IP của máy tính đích để định tuyến gói tin đến đích.

Lớp Internet cũng đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong quá trình định tuyến, bằng cách sử dụng các cơ chế kiểm tra lỗi và điều khiển lỗi trong giao thức IP. Ngoài ra, lớp Internet còn hỗ trợ việc phân đoạn và gộp các phân đoạn (fragmentation and reassembly) của các gói tin lớn để tránh việc giới hạn kích thước gói tin.

Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI.

Lớp truy nhập mạng đảm bảo rằng các khung dữ liệu được truyền đi qua các phương tiện truyền thông mạng như cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, hay sóng radio. Lớp này sử dụng các chuẩn và giao thức để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, phát hiện và khắc phục các lỗi liên quan đến truyền dữ liệu.

Các giao thức phổ biến được sử dụng trong lớp truy nhập mạng bao gồm Ethernet, Wi-Fi, ATM (Asynchronous Transfer Mode), hay Frame Relay. Mỗi giao thức này đều có đặc điểm và ứng dụng riêng để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu trên mạng.

Lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu, là lớp thấp nhất trong kiến trúc giao thức TCP/IP. Đây là lớp đầu tiên được tương tác với các phương tiện truyền thông vật lý, chẳng hạn như cáp mạng, sóng vô tuyến hoặc quang học.

Nhiệm vụ của lớp vật lý là định nghĩa các đặc tính cơ bản của việc truyền tải dữ liệu trên một mạng vật lý. Chẳng hạn như tần số, điều chế, tốc độ truyền, độ dài tối đa của tín hiệu và cách thức truyền tải. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã để biến đổi tín hiệu thành các bit dữ liệu để gửi qua mạng và ngược lại.

Các chuẩn và giao thức phổ biến trong lớp vật lý bao gồm Ethernet, Token Ring, ATM (Asynchronous Transfer Mode), ISDN (Integrated Services Digital Network), và FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Mỗi chuẩn và giao thức này sử dụng các kỹ thuật và thiết bị khác nhau để truyền tải dữ liệu trên mạng vật lý.

Xem thêm: Kiến trúc giao thức OSI trong mạng truyền thông công nghiệp