Mrežni sloj se odnosi na sloj 3 sedmoslojnog modela međusobnog povezivanja otvorenih sustava (OSI) za mrežnu arhitekturu. Algoritmi i protokoli u mrežnom sloju odgovorni su za identificiranje optimalnog puta za usmjeravanje i pouzdanu isporuku paketa podataka iz njihovih izvornih mreža do njihovih odredišnih mreža. Kao komponenta konceptualnog okvira OSI, mrežni sloj odgovara na zahtjeve za uslugom iz sloja 4, transportnog sloja, i izdaje zahtjeve za uslugu sloju 2, sloju podatkovne veze. U praksi se sastoji od opreme, primarnih usmjerivača i mehanizama kao što je Internet Protocol (IP), potrebnih za prijenos digitalno kodiranih signala od izvornih hostova preko digitalnih mreža — kao što je Internet — do odredišnih domaćina. Ključne funkcije mrežnog sloja uključuju adresiranje, kontrolu zagušenja, rukovanje pogreškama, umrežavanje i sekvenciranje paketa, usmjeravanje i prosljeđivanje.
Adresiranje i usmjeravanje kako bi se osigurala potrebna razina kvalitete usluge (QoS) glavne su funkcije mrežnog sloja. Tamo se nalaze IP i algoritmi za usmjeravanje, protokoli i Protokol razlučivanja adresa (ARP). Podaci se prenose preko digitalnih mreža putem usmjerivača i prekidača koji koriste protokole kako bi ih kapsulirali u paket i algoritame koji identificiraju najbolji put prijenosa. Ovo je poznato kao komutacija paketa.
Sloj 3 ili mrežni sloj, prebacivanje se događa kada paket stigne na jedno sučelje usmjerivača i prosljeđuje se na drugo. Protokoli koji mogu biti prisutni u mrežnom sloju uključuju protokol za isporuku datagrama (DDP), protokol internetske kontrolne poruke (ICMP), protokol internetskih grupnih poruka (IGMP) i sigurnost internetskog protokola (IPsec). Uobičajeni protokoli koji usmjeravaju informacije kroz mreže uključuju Protokol informacija o usmjeravanju (RIP), Open Shortest Path First (OSPF), Interior Gateway Routing Protocol (IGRP), Border Gateway Protocol (BGP) i Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP).
Za informacije o usmjeravanju putem Interneta, IP adrese su uključene u zaglavlja poruka mrežnog sloja, čime se usmjerivačima pružaju informacije koje su im potrebne da odluče kako upravljati protokom paketa podataka. Odredišna IP adresa paketa se provjerava kada se primi na sučelje usmjerivača. Ako usmjerivač nije odredište paketa, usmjerivač će potražiti mrežnu adresu u svojoj tablici usmjeravanja. Odabire se izlazno sučelje, a paket se šalje na sučelje kako bi se uokvirio i proslijedio preko lokalne mreže. Usmjerivač ispušta paket ako se odredišni mrežni unos ne pronađe u tablici usmjeravanja.