三層交換從概念的提出到今天的普及應用，在今天的網路建設中，三層交換機以其高效的效能、優良的效能價格比得到使用者的認可和讚許。目前，三層交換機在企業網、校園網建設、智慧社群接入等等許多場合中得到了大量的應用，市場的需求和技術的更新推動這種應用向縱深發展。
傳統二層交換技術傳統的區域網交換機是一種二層網路裝置，它在操作過程中不斷收集資訊去建立起它本身的一個MAC地址表。這個表相當簡單，基本上說明了某個MAC 地址是在哪個埠上被發現的。
這樣當交換機收到一個乙太網包時，它便會檢視一下該乙太網包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以確認該從哪個埠把包發出去。但當交換機收到一個不認識的包時。
也就是說如果目的MAC地址不在MAC地址表中，交換機便會把該包“擴散”出去，即從所有埠發出去，就如同交換機收到一個廣播包一樣，這就暴露出傳統區域網交換機的弱點：不能有效的解決廣播、異種網路互連、安全性控制等問題。因此，產生了交換機上的VLAN(虛擬區域網)技術。
三層交換技術
三層交換(也稱多層交換技術，或IP交換技術)是相對於傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術是在OSI網路標準模型中的第二層――資料鏈路層進行操作的，而三層交換技術在網路模型中的第三層實現了分組的高速轉發。
簡單的說，三層交換技術就是“二層交換技術 + 三層轉發”。三層交換技術的出現，解決了區域網中網段劃分之後網段中的子網必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統路由器低速、複雜所造成的網路瓶頸問題。
二層交換機通訊過程
假設兩個使用IP協議的站點A、B通過第二層交換機進行通訊，傳送站點A在開始傳送時，會先拿自己的IP地址與B站的IP地址進行比較，判斷B站是否與自己在同一子網內。若目的站B與傳送站A在同一子網內，則進行二層的轉發。
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具體步驟如下：為了得到站點B的 MAC地址，站點A首先發一個ARP廣播報文，請求站點B的MAC地址。該ARP請求報文進入交換機後，首先進行源MAC地址學習，晶片自動把站點A的MAC地址以及進入交換機的埠號等資訊填入到晶片的MAC地址表中，然後在MAC地址表中進行目的地址查詢。
由於此時是一個廣播報文，交換機則會把這個廣播報文從進入交換機埠所屬的VLAN中進行廣播。B站點收到這個ARP請求報文之後，會立刻傳送一個ARP回覆報文，這個報文是一個單播報文，目的地址為站點A的MAC地址。
該包進入交換機後，同樣，首先進行源MAC地址學習，然後進行目的地址查詢，由於此時MAC地址表中已經存在了A站點MAC地址的匹配條目，所以交換機直接把此報文從相應的埠中轉發出去。
通過以上一次ARP過程，交換晶片就把站點A和B的資訊儲存在其MAC地址表中。以後A、B之間進行通訊或者同一網段的其它站點想要與A或B通訊，交換機就知道該把報文從哪個埠送出。從以上過程可以看出，所有二層轉發都是由硬體完成的，無論是MAC地址表的.學習過程還是目的地址查詢確定輸出埠過程都沒有軟體進行干預。
三層交換機通訊過程
站點A、B通過三層交換機進行通訊。站點A和B所在網段都屬於交換機上的直連網段，若站點A和站點B不在同一子網內，傳送站A首先要向其“預設閘道器”發出ARP請求報文，而“預設閘道器”的IP地址其實就是三層交換機上站點A所屬VLAN的IP地址。
當傳送站A對“預設閘道器”的IP地址廣播出一個ARP請求時，交換機就向傳送站A回一個ARP回覆報文，告訴站點A交換機此VLAN的MAC地址，同時可以通過軟體把站點A的IP地址、MAC地址、與交換機直接相連的埠號等資訊設定到交換晶片的三層硬體表項中。
站點A收到這個ARP回覆報文之後，進行目的MAC地址替換，把要發給B的包首先發給交換機。交換機收到這個包以後，同樣首先進行源MAC地址學習，目的MAC地址查詢，由於此時目的MAC地址為交換機的MAC地址，在這種情況下將會把該報文送到交換晶片的三層引擎處理。
一般來說，三層引擎會有兩個表，一個是主機路由表，這個表是以IP地址為索引的，裡面存放目的IP地址、下一跳MAC地址、埠號等資訊。若找到一條匹配表項，就會在對報文進行一些操作(例如目的MAC與源MAC替換、TTL減1等)之後將報文從表中指定的埠轉發出去。
若主機路由表中沒有找到匹配條目，則會繼續查詢另一個表――網段路由表。這個表存放網段地址、下一跳MAC地址、埠號等資訊。一般來說這個表的條目要少得多，但覆蓋的範圍很大，只要設定得當，基本上可以保證大部分進入交換機的報文都走硬體轉發，這樣不僅大大提高轉發速度，同時也減輕了CPU的負荷。
由於晶片內部的三層引擎中已經儲存站點A、B的路由資訊，以後站點A、B之間進行通訊或其它網段的站點想要與A、B進行通訊，交換晶片則會直接把包從三層硬體表項中指定的埠轉發出去，而不必再把包交給CPU處理。這種通過“一次路由，多次交換”的方式，大大提高了轉發速度。
三層交換從概念的提出到今天的普及應用，雖然只歷經了幾年的時間，但其在網路建設中的應用越來越廣泛，從最初骨幹層、中間的匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。三層交換機具有速度快、效能好、價格低等眾多的優勢。
凡是沒有廣域網連線需求，同時又需要路由器的地方，都可以用三層交換機代替。隨著ASIC硬體晶片技術的發展和實際應用的推廣，三層交換的技術與產品會得到進一步發展。
