Per ridurre la complessità e per ragioni di modularità, i protocolli di rete (e le reti stesse) sono organizzati in una serie di strati o livelli, ciascuno dei quali usa i servizi offerti dal livello inferiore. Si può allora stabilire una gerarchia tra i protocolli, che prende il nome di architettura di protocolli.
Ciascuna macchina (nodo) della rete implementa i vari livelli della gerarchia. Logicamente, il livello $n$ di una macchina comunica con il livello $n$ di un’altra macchina (questo è il motivo per cui si dice che un protocollo stabilisce lo scambio di informazioni tra entità paritetiche). In realtà, invece, tutti i dati passano dal livello $n$ del mittente a quelli sottostanti, fino al livello fisico, che li trasmette concretamente sulla rete; quando essi arrivano alla macchina ricevente, “risalgono” infine livelli di quest’ultima, dal livello fisico al livello $n$. Queste interazioni tra due livelli adiacenti ($n$ e $n-1$) avvengono mediante un’interfaccia.
Un insieme di protocolli, uno per livello, è detto pila di protocolli. Un insieme di livelli, protocolli e interfacce è chiamato architettura di rete. Le architetture di rete sono alla base di tutte le reti di calcolatori.
In letteratura, esistono due modelli per descrivere l’organizzazione dei protocolli: ISO-OSI e TCP/IP.
Il modello ISO-OSI è composto da sette livelli:
Questi livelli si ricavano mediante un processo di:
Ogni strato $n$ si interfaccia con lo strato immediatamente superiore $n+1$ e con quello immediatamente inferiore $n-1$ (ove presenti).
Ciascuno strato $n$ è costituito da una o più entità, dette n-entità, che svolgono le funzioni di tale strato. L’interazione tra due sistemi avviene mediante interlavoro di entità omogenee (cioè dello stesso livello, ovvero entità pari) sui due sistemi.