IPv4

地址

IPv4使用32位（4字节）地址，因此地址空间中只有4,294,967,296（2³²）个地址。不过，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络（约1800万个地址）和多播地址（约2.7亿个地址），这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日，在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。
这些限制刺激了仍在开发早期的作为当前唯一的长期解决方案的IPv6的部署。

虚拟专用网络

通常情况下，路由器根据数据报文的目的地址决定转发数据报文的下一跳地址。使用专用网络地址作为目的地址的数据包通常无法被公共路由器正确送达，因为公共路由器没有相应的路由信息，即无法得知如何才能转发到该IP地址。因此，这就需要通过一种方法，将指引数据报文转发的下一跳地址和真正要传输的目的地址分离开。于是就使用虚拟专用网，将IP报文封装在其他报文内，以便于通过公网上的公共路由器，达到能处理该报文内层数据的网络设备上解除报文后，该数据包可以被继续转发到目的地址。
将数据报文封装的过程中，可以将数据报文封装于IP报文中，也可以使用多协议标签交换协议等，通过其他协议引导数据报文转发。也可以封装同时加密数据，以保护数据内容。

链路本地地址

RFC 5735中将地址块169.254.0.0/16保留为特殊用于链路本地地址，这些地址仅在链路上有效（如一段本地网络或一个端到端连接）。这些地址与专用网络地址一样不可路由，也不可作为公共网络上报文的源或目的地址。链路本地地址主要被用于地址自动配置：当主机不能从DHCP服务器处获得IP地址时，它会用这种方法生成一个。
当这个地址块最初被保留时，地址自动配置尚没有一个标准。为了填补这个空白，微软创建了一种叫自动专用IP寻址（APIPA）的实现。因微软的市场影响力，APIPA已经被部署到了几百万机器上，也因此成为了事实上的工业标准。许多年后，IETF为此定义了一份正式的标准：RFC 3927，命名为“IPv4链路本地地址的动态配置”。

环回地址(Loopback Address)

地址块127.0.0.0/8被保留作环回通信用。此范围中的地址绝不应出现在主机之外，发送至此地址的报文被作为同一虚拟网络设备上的入站报文（环回），主要用于检查TCP/IP协议栈是否正确运行和本机对本机的链接。

以0或255结尾的地址

一个常见的误解是以0或255结尾的地址永远不能分配给主机：这仅在子网掩码至少24位长度时（旧的C类地址，或CIDR中的/24到/32）才成立。
在有类别的编址中，只有三种可能的子网掩码：A类：255.0.0.0，B类：255.255.0.0，C类：255.255.255.0。如，在子网192.168.5.0/255.255.255.0（即192.168.5.0/24）中，网络标识符192.168.5.0用来表示整个子网，所以它不能用来标识子网上的某个特定主机。
广播地址允许数据包发往子网上的所有设备。一般情况下，广播地址是借由子网掩码的比特反码并和网络标识符运行OR 的位操作得到，即广播地址是子网中的最后一个地址。在上述例子中，广播地址是192.168.5.255，所以为了避免歧义，这个地址也不能被分配给主机。在A、B和C类网络中，广播地址总是以255结尾。
但是，这并不意味着每个以255结尾的地址都不能用做主机地址。比如，在B类子网192.168.0.0/255.255.0.0（即192.168.0.0/16）中，广播地址是192.168.255.255（主机位全1）。在这种情况下，尽管可能带来误解，但192.168.1.255、192.168.2.255等地址可以被分配给主机。同理，192.168.0.0作为网络标识符不能被分配，但192.168.1.0、192.168.2.0等都是可以的。
随着CIDR的到来，广播地址不一定总是以255结尾（广播地址是指主机位都为1的地址，255只是其中一种情况）。比如，子网203.0.113.16/28的广播地址是203.0.113.31。过程如下：
网络：203.0.113.16
掩码：255.255.255.240
掩码反码：0.0.0.15
OR操作：
00010000 | 00001111 = 00011111 =31
一般情况下，子网的第一个和最后一个地址分别被作为网络标识符和广播地址，任何其它地址都可以被分配给其上的主机。

地址解析

互联网上的主机通常被指定，但IP报文的路由是由IP地址而不是这些名字决定的。这就需要将域名翻译（解析）成地址。
域名系统（DNS）提供了域名转换为IP地址的服务。与CIDR相像，DNS是层级结构。

网络地址转换

对地址的快速分配和其造成的地址短缺促成了许多有效应用地址的方法，其中一种就是网络地址转换（NAT）。

报文结构

IP报文包含IP首部和数据部分

分片和组装

互联网协议（IP）是整个互联网架构的基础，可以支持不同的物理层网络，即IP层独立于链路层传输技术。不同的链路层不仅在传输速度上有差异，还在帧结构和大小上有所不同，不同MTU参数描述了数据帧的大小。为了实现IP数据包能够使用不同的链路层技术，需要将IP数据包变成适合链路层的数据格式，IP报文的分片即是IP数据包为了满足链路层的数据大小而进行的分割。
在IPv6不要求路由器执行分片操作，而是将检测路径最大传输单元大小的任务交给了主机。

辅助协议

互联网协议定义并激活了网络层，它使用一个逻辑地址系统。IP地址并不以任何永久的方式绑定到硬件，而且事实上一个网络接口可以有许多IP地址。为了正确地交付一份报文，主机和路由器需要其它机制来识别设备接口和IP地址之间的关联。地址解析协议（ARP）为IPv4执行这种IP地址到物理地址（MAC地址）的转换。
此外，反向操作有时候也是必须的，比如，一台主机在启动时需要知道自己的IP地址（除非地址已经被管理员预先设置）。当前被用于这一用途的协议有动态主机设置协议（DHCP）、引导协议（BOOTP）和比较不常用的RARP。