Protokoły warstwy sieciowej służą do organizowania łączności na większą odległość niż pomiędzy sąsiadującymi ze sobą stacjami lub węzłami. Dwa ważne problemy protokołów warstwy sieciowej to:

1. System adresowania.

   Adresy fizyczne MAC (ang. Media Access Control) używane w warstwie łącza nie nadają się do adresowania, ponieważ sprzęt sieciowy pochodzący od różnych producentów rozmieszczony jest na całym świecie w sposób przypadkowy. Rozmieszczenie to nie odzwierciedla struktury sieci. Potrzebny jest więc inny, niezależny od sprzętu, a zależny od logicznej struktury sieci zbiór adresów, który zostanie odwzorowany na zbiór adresów fizycznych.

2. Optymalizacja sieci poprzez wytyczenie trasy przesyłu informacji przez węzły tranzytowe.

   W małych sieciach możliwe jest przechowywanie informacji globalnej o strukturze połączeń wszystkich węzłów sieci i ustalanie na jej podstawie trasy połączenia pomiędzy dwiema stacjami, a dopiero później transmitowanie informacji (po ustalonej wcześniej trasie). W sieci o zasięgu światowym takie rozwiązanie byłoby praktycznie niemożliwe ze względu na ilość tej informacji, jak również ze względu na szybko zmieniające się warunki w różnych fragmentach takiej sieci- awarie i rekonfiguracje, nagłe wzrosty i spadki, natężenia ruchu itd. W związku z tym typowym rozwiązaniem jest przechowywanie informacji lokalnej (rozproszonej po różnych węzłach sieci) i dynamiczne podejmowanie decyzji co do wyboru trasy przesyłu na kolejnym odcinku (przykładowo w sytuacji nagłego wzrostu natężenia ruchu, oprogramowanie węzła może podjąć decyzję o skierowaniu części przesyłanej informacji inną, dłuższą trasą, na której natężenie ruchu jest mniejsze).

Protokół IP

Najbardziej rozpowszechnionym protokołem na świecie jest IP (ang. Internet Protocol) w wersji 4 - IPv.4. Nowszym jest IPv.6, który dysponuje dużo większą przestrzenią adresową i lepiej niż IP4 dostosowany jest do aplikacji czasu rzeczywistego (np.multimedialnych).

IP jest protokołem bezpołączeniowym i zawodnym. Protokół nie gwarantuje, że pakiety dotrą do adresata, nie zostaną pofragmentowane, czy też zdublowane. Mogą dotrzeć do odbiorcy w innej kolejności niż zostały nadane. Niezawodność transmisji danych jest zapewniana przez protokoły warstw wyższych (np. TCP).

Protokół IP pełni rolę poczty zewnętrznej, dostarczając całość korespondencji od hosta do hosta, multipleksując lub demultipleksując przesyłki otrzymane od protokołów transportowych. Protokoły transportowe obsługują pocztę wewnętrzną, zbierając lub rozdzielając przesyłki od lub do poszczególnych procesów posiadających przyporządkowane porty, czyli skrzynki na indywidualną korespondencję.

Logiczną jednostką informacji jest datagram IP, który będąc przesyłany przez warstwę łącza, jest zazwyczaj rozdrabniany na mniejsze fragmenty mieszczące się w pojedynczych ramkach LLC zwane pakietami.

Struktura pakietu IP:

• numer wersji- wersja protokołu IP,
• długość nagłówka- podawana jest w słowach czterobajtowych (może wynosić 5 lub 6, natomiast 6. słowo jest opcjonalne),
• obsługa- zawiera życzenia użytkownika (jego programu użytkowego) co do sposobu traktowania pakietu na trasie przesyłu- nadawania priorytetu, kierowania do łącza o największej przepustowości, niezawodności itp. Węzły tranzytowe starają się je w miarę możliwości uwzględniać, ale nie zawsze ich oprogramowanie to umożliwia,
• długość całkowita pakietu (nagłówek i dane)- jest zapisywana na 2 bajtach (16 bitach),
• identyfikator, flagi i przesunięcie- służą do tego, aby datagram można było rozdrobnić, zapakować w ramki, a następnie scalić, gdyby długość całkowita datagramu przekraczała maksymalną długość pola danych ramki w przebywanym łączu. Identyfikator musi być liczbą unikalną dla pary (adres źródłowy, adres docelowy).
  Flagi:
  • 0- na razie nie została zdefiniowana,
  • 1- zakaz rozdrabniania datagramu,
  • 2- nie jest to ostatni fragment rozdrobnionego datagramu.
• przesunięcie- wskazuje, od którego bajtu w rekonstruowanym datagramie należy wstawić pole danych pakietu,
• czas życia- zapobiega dowolnie długiemu błądzeniu po sieci zagubionych pakietów (np. na początku pole to jest jedynkowane przez nadawcę, czyli ustawiane na 255, a każde przejście przez jakikolwiek węzeł tranzytowy zmniejsza jego wartość o 1. Po wyzerowaniu się tego pola pakiet jest usuwany z sieci),
• protokół nadrzędny- zawiera kod liczbowy protokołu warstwy nadrzędnej względem IP (np. TCP ma numer 6), który zlecił protokołowi IP przesłanie danego pakietu,
• suma kontrolna nagłówka- pozwala kontrolować poprawność przesłania samego nagłówka pakietu (nie obejmuje danych),
• adres IP (źródłowy i docelowy)- w IPv.4 jest 32-bitowy (w IPv.6 jest 128-bitowy),
• opcje- mogą być używane do różnych celów (np. do transmisji w czasie rzeczywistym lub umożliwiania ustanawiania łączności niezawodnej protokołom wyższego poziomu),

Aby w protokole IP była możliwa komunikacja, konieczne jest nadanie każdemu urządzeniu unikalnego adresu IP, który pozwoli na wzajemne rozpoznawanie się poszczególnych uczestników komunikacji. Adres IP może być przydzielony każdemu interfejsowi sieciowemu (np. karcie sieciowej) urządzenia przesyłającego przez ten interfejs pakiety IP. Urządzenia działające na poziomie warstwy sieciowej i służące do przekazywania informacji między różnymi domenami rozgłoszeniowymi (węzły tranzytowe IP) nazywane są routerami. Oprogramowanie routera podejmuje decyzję, jaki kolejny odcinek trasy powinien przebyć przekazywany pakiet (decyzja ta objawia się w opakowaniu pakietu w ramkę o odpowiednim adresie MAC).

Sieć ogólnoświatowa korzystająca z protokołu IP i systemu adresowania IP, którego jednoznaczność nadzorowana jest przez organizacje międzynarodowe, nazywana jest Internetem. W związku z wyczerpaniem się puli adresów sieciowych oraz potrzebami wzbogacenia funkcjonalności nowoczesnych urządzeń powstała nowa wersja istniejącego protokołu internetowego (IPv.6). Nowa wersja jest całkowicie wolna od ograniczeń poprzednika. W IPv.4 adres 32-bitowy pozwala na utworzenie zaledwie 4 294 967 296 kombinacji. W przypadku IPv.6 adresu 128 bitowego liczba kombinacji wrasta do wartości:
340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456.

128-bitowa przestrzeń adresowa dostarcza
655 570 793 348 866 943 898 599 adresów na każdy metr kwadratowy powierzchni Ziemi.

Zasady adresowania sieci opisane zostały w dziale Adres sieci komputerowej.

Inne protokoły

• ICMP (ang. Internet Control Message Protocol)- protokół komunikatów kontrolnych wykorzystywany w diagnostyce sieci oraz routingu. Pełni on przede wszystkim funkcję kontroli transmisji w sieci, ale ma też zastosowania, w których używany jest tylko on- ping oraz traceroute,
• IGMP (ang. Internet Group Management Protocol)- służy do zarządzania grupami multicastowymi w sieciach opartych na protokole IP. Komputery wykorzystują komunikaty IGMP do powiadamiania routerów w swojej sieci o chęci przyłączenia się do lub odejścia z określonej grupy multicastowej,
• RIP (ang. Routing Information Protocol)- protokół informowania o trasach należący do grupy protokołów bram wewnętrznych (IGP). Oparty jest na zestawie algorytmów wektorowych, służących do obliczania najlepszej trasy do celu,
• IGRP (ang. Interior Gateway Routing Protocol)- protokół trasowania bramy wewnętrznej, będący jednym z protokołów sieciowych kontrolujących przepływ pakietów wewnątrz, opartych na protokole IP, pod wspólną administracyjną kontrolą, gdzie utrzymywany jest spójny schemat trasowania,
• OSPF (ang. Open Shortest Path First)- protokół routingu typu stanu łącza (ang. Link State). Jest zalecanym protokołem wśród protokołów niezależnych (np. RIP),
• EGP (ang. Exterior Gateway Protocol)- protokół routingu zewnętrznego służący do łączenia systemów autonomicznych,
• EIGRP (ang. Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)- zastrzeżony protokół trasowania Cisco Systems operujący na statusie łącz.