网络层关注的是如何将分组从源主机沿着网络路径送达目的主机，会经过多个路由器，选择适当的转发路径。
网络层的最核心功能是：分组转发和路由选择
分组转发：每一个路由器中都有一个转发表，在分组到达路由器时，会根据分组首部中的转发表示在转发表中查询，应该在哪一个接口被转发出去，转发标识可能是目的主机的IP地址，也可能是分组所属的连接指示，取决于具体的网络层协议。
路由选择：路由器必须决定这些分组的路由和路径。路由选择可以分为集中式、分布式，也可以分为人工的和自动的。自动的路由选择应该运行路由选择协议，生成路由表，在生成最终的转发表。
网络层提供的两种服务：
虚电路服务：面向连接的
数据报服务：面向无连接的
两者不能同时应用。
虚电路连接（VC）：1.虚电路建立、2.数据传送、3.拆除连接。两个计算机进行通信的时候，应该先建立连接，保障通信所需要的一切资源，随即建立虚电路发送分组，分组的首部不需要添加目的主机的IP地址，应该添加对应的VC编号，所有的分组都应该在这条虚电路上进行传递，时序不会乱、通信完成后随即释放虚电路。有人认为虚电路连接不好，因为因特网应该遵循端到端原则，即复杂的网络功能交给因特网的边缘来处理，即运输层，而虚电路的网络层做了运输层的事（安全可靠）,而且因特网这么大，造价太高。因特网底层的很多广域分组交换网络采用的是虚电路网络，例如ATM（异步传输模式）、帧中继、X.25。
注意：每经过一个路由器转发分组的时候，都会分配新的额vc号，每台路由器包含了输入VC号和输出VC号的对应关系（和接口号配套），减少了分组头部VC字段的长度，简化虚电路的建立，不同链路上的VC号是可以重复的。若一个节点出现问题，整个连接崩溃。
数据报服务：面向无连接的，IP数据报的首部存放着源主机IP和目的主机IP，由经过的路由器根据转发表，盘都拿应该从哪一个接口发出，路径可能不一样，因此会发生到达目的主机的时序混乱。
多协议标签交换技术（MPLS）:将以上两种的灵活性和健壮性相结合
IP协议
与IP协议配套的还有四个协议：ARP、RARP、ICMP、IGMP（地址解析协议、逆地址解析协议、网络控制报文协议、网际组管理协议），后两个使用IP协议，前两个被IP协议使用。
异构网络互联：互联网可以由多种异构网络互相连成。没有一种单一的网络能够满足所有人的要求，将网络互相连接起来需要一些中间设备：物理层使用转发器、数据链路层使用网关和桥接器、网络层使用路由器、网络层上层使用网关。当中间设备是转发器或者网关的时候，仅仅是把一个网络扩大了，TCP/IP体系结构在网络上互联采用了标准化协议，互联的网络可以是异构的，可以看成是一个虚拟互联网络，互联的底层网络称为物理网络。
在分组转发的时候，主机首先看自己的路由表中有没有目的主机（是否就在本网络），如果有在，直接交付，如果没有交给路由器进行简介交付。
IP地址以及编码方式：
整个因特网是一个单一的逻辑网络，IP地址是给每个主机或者路由器的每一个端口分配IP地址，32位，大约有42亿。地址编址有三个阶段：分类编址、划分子网、无分类编址
分类编址：由网络号和主机号两部分构成，网络号在整个网络中是唯一的，一个网络对应一个网络号，主机号在各自的网络号下应该是唯一的，（总的来说主机号可以重复，两个合起来IP地址就不会重复了），路由器根据目的主机的网络号来转发分组。分为ABCDE五大类，其中ABC为单播地址，即一对一的。A的网络号有8位，且第一位固定为0，B类网络号有16为位，且前两位固定为10，C类地址网络号有24位，且前三位固定为110，D类地址前四位为1110，用于多播，只能作为目的地址使用；E类地址前四位为1111，有特殊用途。当一个主机连接到不同的网络的时候，必须具有两个不同的IP地址，称为多归属主机，一个路由器至少有两个IP地址。
划分子网：由网络号、子网号、主机号构成，划分子网解决了分类编址的缺点（分配不当，有浪费），从主机号中拿过来不定位数作为子网号，大大减少了浪费。
无分类编址:由网络前缀和主机号构成，无分类域间路由选择（CIDR），网络前缀不定长，地址掩码32位，前面是1，后面是0，1的位数就是网络前缀的位数，被称为子网掩码，由路由器互联起来的每一个网络都有唯一的网络前缀，将IP地址和子网掩码按位求与就得到了其网络地址。连接在同一个网络上的主机或者路由器的网络前缀必须一样，即子网掩码一样。CRID地址块：网络前缀相等的连续的IP地址（一定是2的整数幂），可以更加有效的分配地址空间。网络前缀和主机号全为1和0的不能分配给主机，全0代表我，全1代表all（全1的主机号表示该网络上的所有主机），