Warstwa sieciowa, lub inaczej mówiąc warstwa 3 modelu OSI, zapewnia usługi umożliwiające realizację wymianę danych pomiędzy urządzeniami końcowymi poprzez sieć. Aby zrealizować tą komunikację warstwa sieciowa wykorzystuje cztery podstawowe procesy: Adresowanie IP dla urządzeń końcowych, enkapsulację danych, routingu oraz de-enkapsulację.

Obecnie Internet w dużym stopniu oparty jest na protokole IPv4, który jest nadal najczęściej używanym protokołem warstwy sieciowej. Pakiet IPv4 zawiera nagłówek IP oraz przesyłane dane. Należy pamiętać, że protokół IPv4 dysponuje ograniczoną pulą unikalnych publicznych adresów IP. Ograniczenie to doprowadziło do opracowania protokołu IP w wersji 6 (IPv6). Uproszczony nagłówek IPv6 oferuje kilka zalet w stosunku do IPv4. Należą do nich lepsza wydajność procesu routingu, uproszczone nagłówki rozszerzeń oraz zdolność do przetwarzania oznakowanych strumieni danych. Dodatkowo, adresy IPv6 oparte są na 128-bitowej hierarchicznej strukturze adresowania w odróżnieniu od adresów IPv4, które wykorzystują tylko 32 bity. Rozwiązanie to zapewnia znaczne zwiększenie liczby dostępnych adresów IP.

Oprócz hierarchicznego adresowania, warstwa sieciowa jest również odpowiedzialna za routowanie pakietów.

Hosty potrzebują lokalnej tablicy routingu, aby zapewnić pakietom w warstwie sieci, prawidłowy kierunek przesyłania do sieci docelowej. Tablica lokalna hosta zawiera zwykle informacje dotyczące bezpośrednio podłączonej sieci lokalnej oraz informację o trasie domyślnej. Trasa domyślna jest trasą prowadzącą do bramy domyślnej.

Bramą domyślną dla hosta jest adres IP interfejsu routera, który jest podłączony do sieci lokalnej hosta. Gdy istnieje potrzeba przesyłania pakietu do adresu docelowego hosta, który nie znajduje się na tej samej sieci, co nadawca, pakiet jest wysyłany do bramy domyślnej w celu dalszego przetwarzania.

Gdy router będący bramą domyślną odbiera pakiet, sprawdza adres docelowy IP w celu określenia sieci docelowej. Tablica routingu routera zawiera informacje o trasach do bezpośrednio podłączonych sieci IP jak i zdalnych sieci. Jeśli sieć docelowa znajduje się w tablicy routingu, router przekazuje dalej pakiet zgodnie z posiadanymi informacjami. Jeśli w tablicy routingu nie istnieje odpowiedni wpis, router może przesłać pakiet wykorzystując swoją skonfigurowaną trasę domyślną. Jeżeli trasa ta nie została skonfigurowana, pakiet zostaje odrzucony.

Wpisy w tablicy routingu mogą być konfigurowane ręcznie na każdym routerze, zapewniając routing statyczny, lub routery mogą komunikować się dynamicznie przy użyciu protokołów routingu, wymieniając informacje o trasach.

Aby routery mogły być dostępne dla innych urządzeń, ich interfejsy muszą być prawidłowo skonfigurowane. W celu określenia konfiguracji odpowiedniego interfejsu należy przejść z trybu konfiguracji ogólnej do trybu konfiguracji interfejsu podając komendę interface wraz z podaniem typu interfejsu i jego numeru. .