Una vez establecida la base de la comunicación por parte de los protocolos de la capa de enlace, se requieren otros protocolos que permitan que los paquetes de datos lleguen a las aplicaciones correspondientes. Partiendo del modelo OSI, este proceso se lleva a cabo en la capa de transporte o capa 4. Para ello, cada pila posee también sus propios protocolos. Para la familia de protocolos de Internet estos son, en especial:
- TCP (Transmission Control Protocol) o protocolo de control de la transmisión
- UDP (User Datagram Protocol) o protocolo del datagrama del usuario
TCP, al igual que IP, también es considerado el estándar para las conexiones de red, por lo menos desde el gran éxito de Internet, y, en la mayoría de los casos, se construye sobre IP directamente, lo que origina que se hable a menudo de redes TCP/IP. Como protocolo orientado a la conexión, TCP presupone una conexión existente entre los participantes para poder transportar el paquete de datos, garantizando la transmisión fiable de los datos en tanto que los paquetes llegan íntegros y en el orden correcto al destinatario. Para hacer esto posible, el protocolo añade a los paquetes de datos información adicional como un número de secuencia o una suma de verificación (checksum), además de otro tipo de datos.
UDP es su equivalente en la familia de protocolos de Internet para la transmisión simple y rápida de paquetes pequeños sin conexión. Aunque las conexiones UDP no garantizan que el paquete llegue a su destinatario, la reducción de los datos de gestión (información adicional en el encabezado) otorga una mayor velocidad a aquellas transferencias de datos en las cuales se pueda tolerar algún error de transmisión. Es por este motivo que UDP se utiliza en el streaming de vídeo y audio, en peticiones al DNS, así como en conexiones VPN (Virtual Private Network).
Como la familia de protocolos de Internet, hay otras pilas de protocolo que también cuentan con protocolos de transmisión específicos construidos sobre sus protocolos de red y que, en gran parte, se asemejan mucho a TCP. Las redes Novell, por ejemplo, ofrecen el protocolo SPX en la capa de transporte. En el caso de la pila de AppleTalk, la transmisión de los paquetes tiene lugar con ayuda del ATP (AppleTalk Transaction Protocol).