Võrgukiht viitab võrguarhitektuuri seitsmekihilise avatud süsteemide vastastikuse ühenduse (OSI) mudeli 3. kihile. Võrgukihi algoritmid ja protokollid vastutavad andmepakettide lähtevõrkudest sihtvõrkudesse marsruutimiseks ja usaldusväärseks edastamiseks optimaalse tee kindlaksmääramise eest. OSI kontseptuaalse raamistiku komponendina vastab võrgukiht 4. kihi (transpordikihi) teenusetaotlustele ja väljastab teenusepäringud 2. kihile, andmelingikihile. Praktikas koosneb see seadmetest, peamistest ruuteritest ja mehhanismidest, nagu Interneti-protokoll (IP), mis on vajalikud digitaalselt kodeeritud signaalide edastamiseks lähtehostidelt digitaalsete võrkude (nt Interneti) kaudu sihthostidesse. Võrgukihi põhifunktsioonide hulka kuuluvad adresseerimine, ülekoormuse kontroll, vigade käsitlemine, võrguühendus ja pakettide järjestamine, marsruutimine ja edastamine.
Võrgukihi põhifunktsioonid on adresseerimine ja marsruutimine nõutava teenusekvaliteedi (QoS) taseme tagamiseks. Seal asuvad IP- ja marsruutimisalgoritmid, protokollid ja ARP (Address Resolution Protocol). Andmeid edastatakse digitaalsete võrkude kaudu ruuterite ja kommutaatorite kaudu, mis kasutavad nende paketti kapseldamiseks protokolle ja algoritme, mis tuvastavad parima edastustee. Seda nimetatakse pakettkommutatsiooniks.
3. kihi ehk võrgukihi ümberlülitamine toimub siis, kui pakett saabub ühele ruuteri liidesele ja suunatakse edasi teisele. Võrgukihis võivad esineda protokollid, sealhulgas Datagrami edastamisprotokoll (DDP), Interneti-juhtsõnumiprotokoll (ICMP), Interneti-rühma sõnumiprotokoll (IGMP) ja Interneti-protokolli turvalisus (IPsec). Tavaliselt kasutatavad protokollid, mis suunavad teavet võrkude vahel, hõlmavad marsruutimisteabe protokolli (RIP), Open Shortest Path First (OSPF), sisemise lüüsi marsruutimisprotokolli (IGRP), piirilüüsi protokolli (BGP) ja kaugusvektori multisaadete marsruutimisprotokolli (DVMRP).
Interneti kaudu marsruutimise teabe jaoks lisatakse IP-aadressid võrgukihi sõnumipäistesse, pakkudes seega ruuteritele teavet, mida nad vajavad andmepakettide voo haldamise otsustamiseks. Paketi sihtkoha IP-aadressi kontrollitakse, kui see ruuteri liidesesse vastu võetakse. Kui ruuter ei ole paketi sihtkoht, otsib ruuter oma marsruutimistabelist võrguaadressi. Valitakse väljumisliides ja pakett saadetakse liidesele raamimiseks ja edastamiseks kohaliku võrgu kaudu. Ruuter jätab paketi maha, kui sihtvõrgu kirjet marsruutimistabelist ei leita.