Warstwa sieciowa odnosi się do warstwy 3 siedmiowarstwowego modelu OSI (Open Systems Interconnection) dla architektury sieci. Algorytmy i protokoły w warstwie sieciowej są odpowiedzialne za identyfikację optymalnej ścieżki do trasowania i niezawodne dostarczanie pakietów danych z sieci źródłowych do sieci docelowych. Jako składnik struktury koncepcyjnej OSI, warstwa sieciowa odpowiada na żądania usług z warstwy 4, warstwy transportowej, i wysyła żądania usług do warstwy 2, warstwy łącza danych. W praktyce składa się on ze sprzętu, głównych routerów i mechanizmów, takich jak protokół internetowy (IP), niezbędnych do przesyłania cyfrowo zakodowanych sygnałów z hostów źródłowych przez sieci cyfrowe — takie jak Internet — do hostów docelowych. Kluczowe funkcje warstwy sieciowej obejmują adresowanie, kontrolę przeciążenia, obsługę błędów, połączenia sieciowe oraz sekwencjonowanie pakietów, routing i przekazywanie.
Adresowanie i routing w celu zapewnienia wymaganego poziomu jakości usług (QoS) to główne funkcje warstwy sieciowej. Znajdują się tam algorytmy IP i routingu, protokoły oraz protokół rozpoznawania adresów (ARP). Dane są przesyłane w sieciach cyfrowych za pośrednictwem routerów i przełączników, które wykorzystują protokoły do enkapsulacji ich w pakiet i algorytmy, które identyfikują najlepszą ścieżkę transmisji. Nazywa się to przełączaniem pakietów.
Przełączanie w warstwie 3 lub warstwie sieci ma miejsce, gdy pakiet dociera do jednego interfejsu routera i jest przekazywany do innego. Protokoły, które mogą być obecne w warstwie sieci, to między innymi DDP, Internet Control Message Protocol (ICMP), Internet Group Message Protocol (IGMP) i Internet Protocol Security (IPsec). Powszechnie używane protokoły, które kierują informacje w sieciach, obejmują RIP, Open Shortest Path First (OSPF), Internal Gateway Routing Protocol (IGRP), Border Gateway Protocol (BGP) i Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP).
W przypadku informacji o routingu przez Internet adresy IP są zawarte w nagłówkach wiadomości warstwy sieci, zapewniając w ten sposób routerom informacje potrzebne do podjęcia decyzji o sposobie zarządzania przepływem pakietów danych. Docelowy adres IP pakietu jest sprawdzany po odebraniu go przez interfejs routera. Jeśli router nie jest miejscem docelowym pakietu, wyszuka adres sieciowy w swojej tablicy routingu. Wybierany jest interfejs wyjściowy, a pakiet jest wysyłany do interfejsu w celu obramowania i przesłania przez sieć lokalną. Router odrzuca pakiet, jeśli pozycja sieci docelowej nie zostanie znaleziona w tablicy routingu.