TCP ist im Prinzip eine Ende-zu-Ende-Verbindung in Vollduplex, die die Übertragung der Informationen in beide Richtungen zu gleicher Zeit zulässt. Diese Verbindung kann in zwei Halbduplexverbindungen eingeteilt werden, bei denen Informationen in beide Richtungen (allerdings nicht gleichzeitig) fließen können. Die Daten in Gegenrichtung können dabei zusätzliche Steuerungsinformationen enthalten. Die Verwaltung (das Management) dieser Verbindung sowie die Datenübertragung werden von der TCP-Software übernommen. Die TCP-Software ist eine Funktionssammlung und (je nach Betriebssystem unterschiedlich) bei Linux auch im Betriebssystemkern, dem Linux-Kernel, angesiedelt. Anwendungen, die diese Software häufig nutzen, sind zum Beispiel Webbrowser und Webserver. Jede TCP-Verbindung wird eindeutig durch zwei Endpunkte identifiziert. Ein Endpunkt stellt ein geordnetes Paar dar, das aus IP-Adresse und Port besteht. Ein solches Paar bildet eine bidirektionale Software-Schnittstelle und wird auch als Socket bezeichnet. Mithilfe der IP-Adressen werden die an der Verbindung beteiligten Rechner identifiziert; mithilfe der Ports werden dann auf den beiden beteiligten Rechnern die beiden miteinander kommunizierenden Programme identifiziert. Durch die Verwendung von Portnummern auf beiden Seiten der Verbindung ist es beispielsweise möglich, dass ein Webserver auf einem Port (normalerweise Port 80) gleichzeitig mehrere Verbindungen zu einem anderen Rechner geöffnet hat. Ports sind 16-Bit-Zahlen (Portnummern) und reichen von 0 bis 65535. Ports von 0 bis 1023 sind reserviert und werden von der IANA vergeben. Zum Beispiel ist Port 80 für das im WWW verwendete HTTP-Protokoll reserviert. Allerdings ist das Benutzen der vordefinierten Ports nicht bindend. So kann jeder Administrator beispielsweise einen FTP-Server (normalerweise Port 21) auch auf einem beliebigen anderen Port laufen lassen.

Ein Webserver, der seinen Dienst anbietet, generiert einen Endpunkt mit dem Port und seiner Adresse. Dies wird als passive open oder auch als listen bezeichnet. Will ein Client eine Verbindung aufbauen, generiert er einen eigenen Endpunkt aus seiner Rechneradresse und einer noch freien Portnummer. Mithilfe eines ihm bekannten Ports und der Adresse des Servers kann dann eine Verbindung aufgebaut werden. Während der Datenübertragungsphase (active open) sind die Rollen von Client und Server (aus TCP-Sicht) vollkommen symmetrisch. Insbesondere kann jeder der beiden beteiligten Rechner einen Verbindungsabbau einleiten. Während des Abbaus kann die Gegenseite noch Daten übertragen, die Verbindung kann also halb offen sein.

Der Drei-Wege-Handshake ist die Bezeichnung für ein bestimmtes Verfahren, um eine in Bezug auf Übertragungsverluste sichere Datenübertragung zwischen zwei Instanzen zu ermöglichen. Obwohl er überwiegend in der Netzwerktechnik verwendet wird, ist der Drei-Wege-Handshake nicht auf diese beschränkt.

Das TCP-Segment besteht immer aus zwei Teilen: dem Header und der Nutzlast (Payload). Die Nutzlast enthält die zu übertragenden Daten, die wiederum Protokollinformationen der Anwendungsschicht wie HTTP oder FTP entsprechen können. Der Header enthält für die Kommunikation erforderliche Daten sowie Informationen, die das Dateiformat beschreiben. Die Werte werden in Network Byte Order (Big Endian) angegeben.

Im Gegensatz zum verbindungslosen UDP implementiert TCP einen bidirektionalen, byte-orientierten, zuverlässigen Datenstrom zwischen zwei Endpunkten. Das darunterliegende Protokoll (IP) ist paketorientiert, wobei Datenpakete verloren gehen können, in verkehrter Reihenfolge ankommen dürfen und sogar doppelt empfangen werden können. TCP wurde entwickelt, um mit der Unsicherheit der darunterliegenden Schichten umzugehen. Es prüft daher die Integrität der Daten mittels der Prüfsumme im Paketkopf und stellt die Reihenfolge durch Sequenznummern sicher. Der Sender wiederholt das Senden von Paketen, falls keine Bestätigung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (Timeout) eintrifft. Die Daten der Pakete werden beim Empfänger in einem Puffer in der richtigen Reihenfolge zu einem Datenstrom zusammengefügt, und doppelte Pakete werden verworfen. Der Datentransfer kann selbstverständlich jederzeit nach dem Aufbau einer Verbindung gestört, verzögert oder ganz unterbrochen werden. Das Übertragungssystem läuft dann in einen Timeout. Der vorab getätigte Verbindungsaufbau stellt also keinerlei Gewähr für eine nachfolgende, dauerhaft gesicherte Übertragung dar.

Um die Daten, die mit UDP versendet werden, dem richtigen Programm auf dem Zielrechner zukommen zu lassen, werden bei UDP sogenannte Ports verwendet. Dazu wird bei UDP die Portnummer des Dienstes mitgesendet, der die Daten erhalten soll. Diese Erweiterung der Host-zu-Host- auf eine Prozess-zu-Prozess-Übertragung wird als Anwendungsmultiplexen und -demultiplexen bezeichnet.

UDP stellt einen verbindungslosen, potenziell unzuverlässigen Übertragungsdienst bereit. Das bedeutet, dass es keine Garantie gibt, dass ein einmal gesendetes Paket auch ankommt oder dass Pakete in der gleichen Reihenfolge ankommen, in der sie gesendet wurden. Eine Anwendung, die UDP nutzt, muss daher gegenüber verloren gegangenen und umsortierten Paketen unempfindlich sein oder selbst entsprechende Korrekturmaßnahmen beinhalten. Da vor Übertragungsbeginn nicht erst eine Verbindung aufgebaut werden muss, können die Hosts schneller mit dem Datenaustausch beginnen. Dies fällt vor allem bei Anwendungen ins Gewicht, bei denen nur kleine Datenmengen ausgetauscht werden müssen. Einfache Frage-Antwort-Protokolle wie das Domain Name System (DNS) verwenden UDP, um die Netzwerkbelastung gering zu halten und damit den Datendurchsatz zu erhöhen. Ein Drei-Wege-Handshake wie bei TCP für den Aufbau der Verbindung würde unnötigen Overhead erzeugen. Daneben bietet die ungesicherte Übertragung auch den Vorteil von geringen Übertragungsverzögerungsschwankungen: Geht bei einer TCP-Verbindung ein Paket verloren, so wird es automatisch erneut angefordert. Dies braucht Zeit, die Übertragungsdauer kann daher schwanken, was für Multimedia-Anwendungen schlecht ist. Bei VoIP z. B. würde es zu plötzlichen Aussetzern kommen bzw. die Wiedergabepuffer müssten größer angelegt werden. Bei verbindungslosen Kommunikationsdiensten bringen verloren gegangene Pakete dagegen nicht die gesamte Übertragung ins Stocken, sondern vermindern lediglich die Qualität. UDP übernimmt die Eigenschaften der darunterliegenden Netzwerkschicht. Im Falle des Internetprotokolls IP können Datenpakete maximal 65.535 Bytes lang sein, wovon der IP-Header und UDP-Header insgesamt mindestens 28 Bytes belegen. UDP-Datagramme haben daher maximal 65.507 Nutzdatenbytes. Solche Pakete werden jedoch von IP fragmentiert übertragen, sodass UDP nur bei Datenpaketgrößen bis zu einigen Kilobytes sinnvoll ist. IP löscht Pakete etwa bei Übertragungsfehlern oder bei Überlast. Datagramme können daher fehlen. Das UDP-Protokoll bietet hierfür keine Erkennungs- oder Korrekturmechanismen wie etwa TCP. Im Falle von mehreren möglichen Routen zum Ziel kann IP bei Bedarf neue Wege wählen. Hierdurch ist es in seltenen Fällen sogar möglich, dass später gesendete Daten früher gesendete überholen.