三层交换机实际上是将传统交换器与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。当然，这种二层设备与三层设备的结合，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。

三层交换技术的出现，解决了大型局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

一、第三层交换的原理

假设两个使用IP协议的主机A、B通过第三层交换机进行通信。发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。

若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP(地址解析)封包，而“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。

其中最重要的表现是一次路由多次转发，当某一信息源的第一个数据流进入第三层交换机后，其中的路由系统将会产生一个MAC地址与IP地址映射表，并将该表存储起来，当同一信息源的后续数据流再次进入第三层交换机时，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第二层由源地址传输到目的地址，而不再需要经过第三层路由系统处理，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率，解决了网间传输信息时路由产生的速率瓶颈。

第三层交换的目标也非常明确，即只需在源地址和目的地址之间建立一条更为直接快捷的第二层通路，而不必经过路由器来转发同一信息的每个数据包。即只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包。

由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。

二、三层交换机与路由器的区别

不管是第二层交换机还是第三层交换机，它们终究总属于数据链路层的设备，第三层交换也只是实现路由器的部分第三层路由功能，使其具有部分转发报文能力。因此，它们都只用于LAN-LAN的连接。

路由器则能用于WAN-WAN，LAN-WAN之间的连接，作用于网络层中的分组交换设备，具有协议交换能力，主要功能是可以解决异构网络之间的数据包的分组转发，这种分组转发原理只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发，这两条线路可能分属于不同拓扑网络，并采用不同协议，这点又是第三层交换机无法做到的，也是与路由器的主要区别。

三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。三层交换机实现同一个局域网中的各个子网的互联以及局域网中VLAN间的路由，而只有局域网与公网互联之间要实现跨地域的网络访问时，才通过专业路由器。

综上所述，第三层交换机非常适应局域网，而路由器可在广域网中尽显英雄本色，也就是说，第三层交换机无法适应网络拓扑各异，传输协议不同的广域网环境。

三、三层交换机的应用领域

目前，第三层交换技术普遍应用于大型局域网络中各子网的互连，主要使用VLAN技术。所谓VLAN就是不需考虑用户的物理位置，而根据信息端的IP地址、用户名等直接与用户联系的特定标志及应用因素就可将用户在逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组，且每个用户主机都连接在一个支持VLAN的交换机端口上，并属于一个VLAN。同一个VLAN中的成员都共享广播，不同VLAN之间的广播信息是相互隔离的。这就相当于将整个网络分割成了多个不同的广播域，从而加强了企业内联网络的管理与维护。