Warstwa sieciowa, lub inaczej mówiąc warstwa 3 modelu OSI, zapewnia usługi umożliwiające realizację wymianę danych pomiędzy urządzeniami końcowymi poprzez sieć. Aby osiągnąć ten cel (komunikację typu urządzenie końcowe - urządzenie końcowe), warstwa sieciowa wykorzystuje cztery podstawowe procesy:
- Adresacja urządzeń końcowych - Tak samo jak telefon, który ma przydzielony unikalny numer abonenta, również urządzenia końcowe muszą być skonfigurowane z unikalnym adresem IP, który pozwoli na ich identyfikację w sieci. Urządzenie końcowe ze skonfigurowanym adresem IP nazywane jest hostem.
- Enkapsulacja - Warstwa sieciowa otrzymuje datagramy PDU (ang. protocol data unit) przygotowane przez warstwę transportową. W procesie zwanym enkapsulacją (opakowywaniem), warstwa sieciowa do otrzymanych danych dodaje nagłówek z informacjami związanymi z protokołem IP. Są nimi między innymi adres źródłowy (nadawcy) i adres docelowy (odbiorcy). Datagram PDU, do którego został dodany nagłówek IP nazywamy pakietem.
- Routing - Warstwa sieci świadczy usługi umożliwiające kierowanie pakietów do hosta docelowego znajdującego się w innej sieci. Aby trafić do innej sieci, pakiet musi zostać przeanalizowany, a następnie przekierowany przez router. Proces realizowany przez router polegający na określaniu najlepszej ścieżki dla analizowanego pakietu i przesłaniu go w taki sposób aby został dostarczony do hosta docelowego nazywany jest routingiem. W takim procesie może uczestniczyć wiele urządzeń pośredniczących, z których każde w niezależny sposób podejmuje decyzję o przekierowaniu pakietu do następnego urządzenia, zwanego również następnym skokiem. Ostatecznie pakiet po przejściu przez kolejne urządzenia pośredniczące trafia do hosta docelowego.
- Rozpakowywanie (deenkapsulacja) - Pakiet trafiający do urządzenia końcowego analizowany jest między innymi na poziomie warstwy sieciowej (warstwa 3 modelu OSI), w której analizowany jest nagłówek IP. Gdy odczytany z pakietu adres IP docelowy jest zgodny z adresem IP hosta doscelowego, nagłówek jest usuwany z pakietu. Proces weryfikacji poprawności danych, a następnie usuwanie nagłówków związanych z konkretną warstwą nazywany jest deenkapsulacją (rozpakowywaniem danych). Warstwa transportowa rozpakowując pakiet uzyskuje datagram PDU, który jest przekazywany do warstwy transportowej (warstwa czwarta modelu OSI).
W odróżnieniu od warstwy transportowej (warstwa 4 w modelu OSI), która zarządza transportem danych pomiędzy procesami uruchomionymi na każdym z urządzeń końcowych, protokoły warstwy sieci określają strukturę pakietu oraz procesy ich przetwarzania używane do przenoszenia danych od jednego hosta do kolejnego. Działanie bez odnoszenia się do danych aplikacji, przenoszonych w każdym z pakietów, pozwala warstwie sieci, transportować pakiety różnych typów komunikacji pomiędzy wieloma hostami.
Animacja na tym rysunku przedstawia wymianę danych.