Protokolle dieser Schicht gewährleisten die Unversehrtheit der übertragenen Daten. Dazu verpacken sie die Daten in für das Medium zulässige Einheiten, steuern den Fluss der Übertragung und fügen Prüfsummen an die eigentlichen Datenpakete an, anhand derer der Empfänger den Zustand der Daten überprüfen kann. Im Fehlerfall kümmern sich die Protokolle dieser Schicht automatisch um eine Wiederholung der Übertragung.
Aufgabe der Sicherungsschicht (Abschnittssicherungsschicht, Datensicherungsschicht, Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene, Prozedurebene) ist es, eine zuverlässige, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungsmedium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes in Blöcke – auch als Frames oder Rahmen bezeichnet – und das Hinzufügen von Prüfsummen im Rahmen der Kanalkodierung. So können fehlerhafte Blöcke vom Empfänger erkannt und entweder verworfen oder sogar korrigiert werden; ein erneutes Anfordern verworfener Blöcke sieht diese Schicht aber nicht vor.
Eine „Datenflusskontrolle“ ermöglicht es, dass ein Empfänger dynamisch steuert, mit welcher Geschwindigkeit die Gegenseite Blöcke senden darf. Die internationale Ingenieursorganisation IEEE sah die Notwendigkeit, für lokale Netze auch den konkurrierenden Zugriff auf ein Übertragungsmedium zu regeln, was im OSI-Modell nicht vorgesehen ist.
Hier offenbart sich eine Schwäche des OSI-Modells, das die Grenzen der Schichten nicht allzu konsequent gezogen hat. So unterteilen die Realisierungen lokaler Netzwerke diese Schicht nochmals in Media Access Control (MAC) und Logical Link Control (LLC). So organisiert z.B. Ethernet den Zugang zum Übertragungsmedium mittels einer MAC-Schicht (oft CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), während LLC eine Schnittstelle zu übergordneten Diensten darstellt.
Weitere wichtige Protokolle der Sicherungsschicht sind High-Level Data Link Control HDLC, das darauf basierende Point-to-Point-Protocol PPP, und das Serial Line Protocol SLIP.
Hardware auf dieser Schicht: Bridge, Switch (Multiport-Bridge)