在正式介绍三层交换原理之前，先要让大家明白一个许多人至今都不明白的三个事实：
“三层交换”仅三层交换机才有的功能，路由器没有，其中的原因是交换机中除了有具备基本路由功能的CPU外，还有专门的三层交换芯片，路由器有更加强大路由功能的CPU，但却没有三层交换芯片。基于交换芯片的三层转发属于硬件转发，而基于CPU中路由功能的三层转发属于软件转发。“三层交换”功能仅针对连接在同一三层交换机上的不同IP网段之间的主机之间互访，连接在不同三层交换上的不同IP网段互访仍需要利用到路由功能实现。“三层交换”功能不能完全脱离路由转发功能，因为在交换机中首次的网络间报文转发仍是通过路由（直连路由）功能实现的，三层交换需要根据报文的首次路由转发过程而建立三层转发表项。
1. 三层交换机出现的背景
早期的网络中一般使用二层交换机来搭建局域网，而不同局域网之间的网络互通由路由器来完成。那时的网络流量，局域网内部的流量占了绝大部分，而网络间的通**问量比较少，使用少量路由器已经足够应付了。但是，随着数据通信网络范围的不断扩大，网络业务的不断丰富，网络间互访的需求越来越大，而路由器由于自身成本高、转发性能低、接口数量少等特点无法很好的满足网络发展的需求。因此出现了三层交换机这样一种能实现高速三层转发的设备。
当然，三层交换机并不能完全替代路由器，路由器所具备的丰富的接口类型、良好的流量服务等级控制、强大的路由能力等仍然是三层交换机的薄弱环节。
2. 三层转发的原理
目前的三层交换机一般是通过VLAN来划分二层网络并实现二层交换，同时能够实现不同VLAN间的三层IP网络间的互访。不同网络的主机之间互访的基本规则如下：
（1）源主机在发起通信之前，将自己的IP地址与目的主机的IP地址进行比较，如果两者位于同一IP网段，则源主机直接向目的主机发送ARP请求报文，在收到目的主机的ARP应答报文后获得对方的物理层（MAC）地址，然后用对方MAC地址作为报文的目的MAC地址进行封装、发送报文。
（2）当源主机判断目的主机与自己位于不同IP网段时，它会通过**来递交报文，首先向**发送ARP请求报文，以获取**IP地址对应的MAC地址。在得到**的ARP应答报文后，用**的MAC地址作为要发送的报文的目的MAC地址进行报文发送。但此时发送报文的源IP地址是源主机的IP地址，目的IP地址仍然是目的主机的IP地址。
如下图所示，PC A和PC B连接在同一台三层交换机上，分别位于VLAN 2和VLAN 3中（对应不同IP网段）。对于三层交换机来说，这两台主机都位于它的直连网段内，它们的IP地址对应的路由都是直连路由。图中标明了两台主机的MAC地址、IP地址、**地址，以及三层交换机的MAC地址、不同VLAN配置的三层VLANIF接口IP地址。当PC A向PC B发起Ping测试时，具体流程如下：（假设三层交换机上还未建立任何硬件转发表项）
（1）PC A首先检查出目的IP地址10.2.1.2（PC B）与自己不在同一IP网段，因此它先要向**发送ARP请求报文，目的IP地址是**（VLANIF2接口）的IP地址10.1.1.1，以获取**的MAC地址。
（2）L3 Switch（三层交换机）收到PC A发来的ARP请求报文后，检查请求报文后发现被请求IP地址是自己的三层接口（VLANIF2）IP地址，因此向PC A发送ARP应答报文，以该三层接口MAC地址（MAC Switch）作为源MAC地址（注意：同一交换机上，所有VLANIF接口的MAC地址是相同的）。然后，把从收到的ARP请求报文中获得的PC A的MAC地址（MAC A）、VLAN ID（2）和出接口（IF_1）的对应关系记录到自己的MAC地址表中，把PC A的IP地址（10.1.1.2）、MAC地址、VLAN ID和入接口的对应关系记录到自己的ARP表项中，分别对应图中MAC地址表项和ARP表项的上部分。
（3）PC A收到**（VLANIF2接口）发来的ARP应答后，根据报文中的源IP地址（VLANIF接口IP地址10.1.1.1）、源MAC地址（MAC Switch）和入接口建立L3 Switch中VLAN 2网段**VLANIF2接口的ARP表项（主机网卡通常不支持VLAN，所以在主机的ARP表项中没有VLAN ID字段）。然后以**VLANIF2接口的MAC地址（MAC Switch）作为目的MAC地址，以PC B的IP地址（10.2.1.2）作为目的IP地址封装ICMP请求报文并发送，报文中的源MAC地址和源IP地址都是PC A自己的。
（4）L3 Switch收到ICMP请求报文后，首先根据报文的源MAC+VLAN ID更新本地基于PC A的MAC地址表项和ARP表项（在前面第2步中已创建）。然后，因为报文中的目的MAC地址是自己三层接口（VLANIF2）的MAC地址，说明此报文需要作三层转发，于是继续查找交换芯片的三层转发表项。同时，根据得到的三层转发信息在交换芯片的三层转发表项中添加基于PC A的三层转发表项（内容包括IP地址、MAC地址、VLAN ID、出接口），这样后续的PC B发往PC A的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了。
（5）交换芯片根据报文的目的IP地址去查找其三层表项，由于之前未建立任何表项，因此查找失败，于是将ICMP请求报文送到CPU去进行软件处理。
（6）CPU根据报文的目的IP去查找其路由表，发现匹配了一个直连网段（PC B对应的IP网段），可以通过直连路由到达，但进行三层转发时又要重新进行帧封装，需要知道真正的目的主机PC B的MAC地址，于是继续查找ARP表，因为是与PC B的首次通信，无对应的ARP表项，仍然查找失败。于是，L3 Switch根据VLAN 3网段的直连路由的三层出接口（VLANIF3），在VLAN 3中的所有物理接口了发送请求解析目的主机PC B MAC地址的ARP请求报文（目的IP地址是PC B的IP地址10.2.1.2）。
（7）PC B收到L3 Switch发送的ARP请求报文后，检查发现被请求IP地址是自己的IP地址，因此接收该ARP请求报文，根据报文中的源IP地址（VLANIF3接口的IP地址10.2.1.1）、源MAC地址（MAC Switch）和入接口建立L3 Switch中VLAN 3网段**VLANIF3接口的ARP表项，并向L3 Switch发送ARP应答报文，其中源MAC地址是PC B自己的MAC地址（MAC B），目的IP地址是VLAN 3网段**（VLANIF3接口）的IP地址（10.2.1.1）。
（8）L3 Switch收到PC B的ARP应答报文后，把从收到的ARP应答报文中获得的PC B的MAC地址（MAC B）、VLAN ID（3）和出接口（IF_2）的对应关系记录到自己的MAC地址表中，把PC B的IP地址（10.2.1.2）、MAC地址、VLAN ID和入接口的对应关系添加到自己的ARP表项中，参见图1下部分的MAC地址表项和ARP表项。然后根据获取的PC B的MAC地址进行帧封装，将PC A发送的ICMP请求报文发送给PC B，报文的目的MAC地址修改为PC B的MAC地址（MAC B），源MAC地址修改为VLAN 3网段**VLANIF3接口的MAC地址（MAC Switch）。
同时，根据刚得到的三层转发信息在交换芯片的三层转发表项中添加基于PC B的三层转发表项（内容包括IP地址、MAC地址、VLAN ID、出接口），这样后续的PC A发往PC B的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了。
（9）PC B收到L3 Switch转发过来的ICMP请求报文以后，向PC A发送ICMP应答报文。ICMP应答报文的转发过程与前面类似，只是由于L3 Switch在之前已经得到PC A的IP地址和MAC地址对应关系了，也同时在交换芯片中已添加了基于PC A的相关三层转发表项，因此该报文直接由交换芯片转发给PC A。
这样，后续的往返报文都通过查找目的MAC地址来找到对应三层转发表项，直接以硬件方式进行三层转发了。
从上述流程可以看出，三层交换机正是充分利用了“一次路由（首包通过CPU的路由功能进行转发，建立三层硬件表项）、多次交换（后续包采用芯片硬件转发方式）”的原理实现了转发性能与三层转发的完美统一。
