네트워크 계층(network layer)에는 패킷을 발신지로부터 여러 네트워크(링크)를 경유하여 목적지까지 전달하는 기능이 있다. 데이터링크 계층이 인접한 두 노드(컴퓨터, 라우터 등) 간에 프레임을 전달한다면, 네트워크 계층은 각 패널의 발신지에서부터 최종 목적지까지 패킷을 전달한다. 이를 종단 간 전달(end-to-end delivery)이라고 하며, 그림으로 나타내면 [ 그림 2-10 ] 과 같다.

A의 네트워크 계층은 B의 네트워크 계층으로 패킷을 보낸다. 라우터 B에서 패킷을 받으면 라우터 B는 패킷의 최종 목적지 F에 근거하여 경로를 결정한다. 라우터 B는 라우팅 테이블(routing table)을 사용하여 라우터 E로 전달할 것을 결정한다. 마지막으로 E의 네트워크 계층은 F의 네트워크 계층으로 패킷을 전달한다.

[ 그림 2-11 ] 은 네트워크 계층에서 이루어지는 동작을 나타낸 것이다. 송신 측의 네트워크 계층은 전송 계층에서 전달받은 데이터를 패킷(데이터 + 헤더)으로 구성하여 데이터링크 계층으로 내려보낸다. 수신 측의 네트워크 계층은 데이터링크 계층으로부터 받은 데이터에서 헤더를 제거한 후, 전송 계층으로 올려보낸다.

네트워크 계층의 주요 기능은 다음과 같다.

• 패킷 전달 : 발신지에서 목적지까지 패킷을 전달하는 기능이다.
• 논리 주소 지정 : 발신지와 목적지의 논리 주소(logical address)를 헤더에 추가하는 기능이다. 논리 주소는 전송 도중 바뀌지 않는다.
• 라우팅routing(경로 배정) : 발신지에서 목적지까지 데이터가 전송될 수 있는 여러 경로 중 가장 적절한 전송 경로를 선택하는 기능이다.
• 다중화multiplexing : 하나의 데이터 회선을 사용하여 동시에 많은 상위 프로토콜과의 데이터 전송을 수행하는 기능이다.
• 폭주 제어congestion control : 일시적으로 과도한 패킷이 네트워크로 유입되어 일어날 수 있는 폭주를 제어하는 기능이다.

대표적인 네트워크 계층 프로토콜에는 ITU-T의 X.25, TCP/IP의 IP(Internet Protocol) 프로토콜 등이 있다.