Die zweite Schicht des DoD-Kommunikationsmodells enthält die Vermittlungsprotokolle des Internet. Es handelt sich im Wesentlichen um zwei Protokolle in jeweils zwei Ausprägungen. Zum einen findet sich hier das Internet Protocol (IP) in den Versionen 4 und 6 und zum andern das Internet Control Message Protocol (ICMP), ebenfalls in den Versionen 4 und 6. Dabei sind die Versionen mit den Nummern 6 die jeweiligen Nachfolger der Versionen mit der Nummer 4. An dieser Stelle ist ein Hinweis zum Sprachgebrauch angebracht: Wird die Bezeichnung IP (für ICMP gilt das Gleiche) ohne eine Versionsnummer verwendet, dann ist damit meistens IPv4 gemeint. Aber manchmal spricht man auch von IP, wenn sich bestimmte Aussagen auf beide Protokollversionen beziehen. Dagegen ist es nicht üblich, sich mit IP nur auf IPv6 zu beziehen. Das heißt, dass bei der Angabe IP stets der sprachliche Kontext herangezogen werden muss.
Zentral für das Internet sind die beiden IP-Versionen, denn über sie laufen alle durch das Internet übertragenen Daten. Die folgende Grafik soll diesen Sachverhalt veranschaulichen. Sie zeigt Anwendungen auf einem Host, von denen einige keine Netzwerkkommunikation durchführen, während andere TCP beziehungsweise UDP benutzen. Unabhängig vom verwendeten Transportprotokoll geht die gesamte Netzwerkkommunikation über eine der beiden IP-Versionen:
Die Firma Google veröffentlicht kontinuierlich eine Statistik über die Verteilung der seit 2008 täglich erfolgten Zugriffe auf ihre Suchmaschine auf die beiden Protokollversionen IPv4 und IPv6:
Daraus geht hervor, dass beispielsweise am 28.03.2019 etwa 23% aller Zugriffe mit IPv6 und 77% mit IPv4 erfolgt sind. Die Google-Statistik dürfte ziemlich genau die allgemeine Verwendung der beiden Versionen in Deutschland widerspiegeln. Die zugehörige Grafik zeigt, dass die Umstellung von IPv4 auf IPv6 zwar kontinuierlich erfolgt, aber nur langsam vorankommt, was sicherlich an den durch die bei der Installation von IPv4 getätigten Investitionen und an den Umstellungskosten liegt. Eine Auswirkung der Protokollverteilung auf die Lehrveranstaltung besteht darin, dass IPv4 nach wie vor ausführlicher dargestellt wird als IPv6, wobei allerdings eine allmähliche Verschiebung der Themenschwerpunkte zu konstatieren ist. IPv4 wird im Abschnitt 5.3 (Internet Protocol version 4) vorgestellt, IPv6 im Abschnitt 5.4 (Internet Protocol version 6).
Die beiden IP-Versionen weisen in ihren Protokollköpfen keine Möglichkeit auf, mit denen auf eine genormte Weise Meldungen transportiert werden könnten. Für die Übertragung von Kontroll- und insbesondere von Fehlermeldungen auf der Ebene der Vermittlungsprotokolle ist im Internet mit ICMP ein eigenes Protokoll vorgesehen worden, das jeweils die entsprechende IP-Version ergänzt. Man spricht von ICMPv4 und ICMPv6. Die Protokolle werden in einem eigenen Abschnitt (5.5 Internet Control Message Protocol) kurz vorgestellt.