インターネットを1から再設計したら、やはりデータリンク層とネットワーク層の2階建ては必須になるでしょうか？

必須ではないですが、分離する方が多くのメリットを享受できます。

前提として、MACアドレスはベンダーがグローバルユニークに設定するもの、

IPアドレスは各組織で一定のルールに基づき設定されるもの、とします。

分離による最も大きいメリットは、経路集約による経路制御の効率化、です。

ルータがパケットをどこに配送するかを保持するのが経路テーブルです。

IPアドレスはネットワークアドレスによりエリアを明示的に決めることができます。

たとえば、極端な話、アメリカのノードはIPアドレスの1バイト目が10で、

ヨーロッパのノードは20、というようにエリアとアドレス体系をマッピングすることが

できます。これにより、ルータの処理は簡素なものとなり、

結果としてパケット転送が高速なインターネットを形成することができます。

分離しない場合、たとえばMACアドレスしか存在しない世界だった場合、

経路テーブルのエントリ数は膨大な数になります。最悪の場合、ルータは世界中の

ノード分だけ保持する必要があります。また経路探索のプロトコルは複雑で、コストも

莫大なものになり、世界中の隅々までノードを探しにいくのは不可能ではないにしろ、

困難になると考えられます。

同じく分離しない場合で、たとえばIPアドレスしか存在しない世界では、

ノードへのIPアドレスの付与が極めて複雑/困難になるのは容易に想像できます。

有線にしろ、無線にしろ、ある程度、物理的な距離とネットワークのトポロジーが

関連している以上、今の二階層の仕組みはメリットが大きいと思います。

将来世界中をカバーするような無線が現れた場合は少し話が変わりますが。

また、かなり難しいとは思いますが、MACアドレスとIPアドレスの特性を併せ持つ

ようなアドレス体系（各国、各組織が一定のルールに基づき、グローバルユニークに

設定できるアドレス）が開発された際には、分離の必要性はなくなりますが、

これはDNSの概念とほぼ等しいものです。過去との互換性をうまく保ちながら

成長していったインターネット、そのすばらしさがわかるのがレイヤーモデルですね。