在计算机网络的五层或TCP/IP四层参考模型中，网络层（又称网际层）扮演着承上启下、实现端到端数据传输的关键角色。它位于数据链路层之上、传输层之下，是处理数据跨多个网络进行路由和转发的核心层级。
网络层的核心功能与目标是实现数据包从源主机到目的主机的逻辑传输，即使源和目的主机不在同一个物理网络上。为了实现这一宏伟目标，它主要承担三大核心任务：
- 路由选择：这是网络层最核心的功能。路由器等网络层设备通过内部的路由协议（如RIP、OSPF、BGP），动态地发现和维护整个网络的拓扑结构，计算出从源到目的地的“最佳”路径。这个“最佳”可能基于最短跳数、最低延迟或最高带宽等度量标准。路由选择决定了数据包将穿越哪些中间节点，是数据能够在全球互联网中准确送达的“导航系统”。
- 分组转发：当一个数据包到达路由器时，路由器根据数据包首部中的目的地址信息，查询其内部的路由表，决定该数据包应该从哪个输出端口发送出去。这个过程就是转发。转发是路由器根据路由选择的结果所执行的、面向单个数据包的本地操作。
- 异构网络互联：全球互联网是由众多不同类型的物理网络（如以太网、Wi-Fi、光纤、卫星链路等）互连而成的。数据链路层只能在同类型网络中工作。网络层通过定义统一的、与底层物理技术无关的逻辑地址（即IP地址）和数据包格式（如IP数据报），屏蔽了底层网络的差异，使得所有网络在更高层次上看起来像一个统一的、虚拟的巨型网络。这就是网络层的“互联”本质。
为了履行这些职责，网络层依赖于几个关键的协议与技术：
- IP协议：网络层的核心协议。当前广泛使用的是IPv4，其未来替代者是IPv6。IP协议定义了IP地址的格式和IP数据报的结构，提供了无连接的、尽最大努力交付的数据传输服务。它不保证可靠性，可靠性由上层协议（如TCP）来补充。
- 地址解析协议：包括ARP（将IP地址解析为MAC地址）和ICMP（用于网络故障诊断和控制，如ping命令）。
- 路由协议：如前所述，分为内部网关协议（IGP，如OSPF）和外部网关协议（EGP，主要是BGP）。
网络层的数据单元被称为“数据包”或“分组”。发送方传输层下来的数据段，在网络层被封装上IP首部，形成IP数据包。IP首部包含了至关重要的信息，如源IP地址、目的IP地址、生存时间（TTL）、协议类型等，它们是路由器进行路由和转发的依据。
网络层是网络体系结构中的“交通枢纽”和“翻译官”。它通过精妙的路由算法和全球统一的寻址方案，将一个个孤立的局域网编织成覆盖全球的互联网，实现了“地球村”中任意两点间的逻辑连通，是计算机网络实现其互联互通终极使命的基石。理解网络层，是理解互联网如何工作的关键一步。
