第三層交換機是目前組網設備中最常用的一種，相比于二層交換機，其在性能方面有非常大的改善，一個具有第三層交換機功能的設備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結合，并不是簡單的把路由器設備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網交換機上。

從硬件的實現上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達幾十Gbit/s)交換數據的，在第三層交換機中，與路由器有關的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速的交換數據，從而突破了傳統的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s——100Mbit/s)，在軟件方面，第三層交換機也有重大的舉措，它將傳統的基于軟件的路由器軟件進行了界定，其作法是：

1、對于數據封包的轉發：如IP/IPX封包的轉發，這些有規律的過程通過硬件得以高速實現。

2、對于第三層路收軟件：如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用優化、高效的軟件實現。假設兩個使用IP協議的站點通過第三層交換機進行通信的過程，發送站點A在開始發送時，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域網上發送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)來確定目的站的MAC地址。發送站把自己的IP地址與目的站的IP地址比較，采用其軟件中配置的子網掩碼提取出網絡地址來確定目的站是否與自己在同一子網內。若目的站B與發送站A在同一子網內，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到目的站點B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉發數據，第二層交換模塊查找MAC地址表確定將數據包發向目的端口。

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若兩個站點不在同一子網內，如發送站A要與目的站C通信，發送站A要向“缺省網關”發出ARP(地址解析)封包，而“缺省網關”的IP地址已經在系統軟件中設置。這個IP 地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模塊。所以當發送站A對“缺省網關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的站B的MAC地址，則向發送站A回復B的MAC地址;否則第三層交換模塊根據路由信息向目的站廣播一個ARP請求，目的站C得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復給發送站A.以后，當再進行A與C之間數據包轉發時，將用最終的目的站點的MAC地址封包，數據轉發過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。

第三層交換具有以下突出特點：有機的硬件結合使得數據交換加速;優化的路由軟件使得路由過程效率提高;除了必要的路由決定過程外，大部分數據轉發過程由第二層交換處理;多個子網互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統的外接路由器那樣需增加端口，保護了用戶的投資。回復其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復給發送站A。以后，當再進行A與C之間數據包轉發時，將用最終的目的站點的MAC地址封包，數據轉發過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。