其實三層交換機的本質就是帶有路由功能的二層交換機，路由主要就是具有屬于OSI參照模型中網絡層的功能，所以三層交換機也具有路由動能。現在，我們知道只要能提供VLAN間路由，就能夠使分屬不同VLAN的計算機互相通信。但是，如果使用路由器進行VLAN間路由的話，隨著VLAN之間流量的不斷增加，很可能導致路由器成為整個網絡的瓶頸。

交換機使用被稱為ASIC（Application Specified Integrated Circuit）的專用硬件芯片處理數據幀的交換操作，在很多機型上都能實現以纜線速度（Wired Speed）交換。而路由器，則基本上是基于軟件處理的。即使以纜線速度接收到數據包，也無法在不限速的條件下轉發出去，因此會成為速度瓶頸。就VLAN間路由而言，流量會集中到路由器和交換機互聯的匯聚鏈路部分，這一部分尤其特別容易成為速度瓶頸。并且從硬件上看，由于需要分別設置路由器和交換機，在一些空間狹小的環境里可能連設置的場所都成問題。

三層交換機（Layer 3 Switch）

為了解決上述問題，三層交換機應運而生。三層交換機，本質上就是“帶有路由功能的（二層）交換機”。路由屬于OSI參照模型中第三層網絡層的功能，因此帶有第三層路由功能的交換機才被稱為“三層交換機”。

在一臺本體內，分別設置了交換機模塊和路由器模塊；而內置的路由模塊與交換模塊相同，使用ASIC硬件處理路由。因此，與傳統的路由器相比，可以實現高速路由。并且，路由與交換模塊是匯聚鏈接的，由于是內部連接，可以確保相當大的帶寬。

使用三層交換機進行VLAN間路由（VLAN內通信）

在三層交換機內部數據究竟是怎樣傳播的呢？基本上，它和使用匯聚鏈路連接路由器與交換機時的情形相同。假設有如下圖所示的4臺計算機與三層交換機互聯。當使用路由器連接時，一般需要在LAN接口上設置對應各VLAN的子接口；而三層交換機則是在內部生成“VLAN接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收發數據的接口。（注：在Cisco的Catalyst系列交換機上，VLAN Interface被稱為SVI——Switched Virtual Interface）

為了與使用路由器進行VLAN間路由對比，讓我們同樣來考慮一下計算機A與計算機B之間通信時的情況。首先是目標地址為B的數據幀被發到交換機；通過檢索同一VLAN的MAC地址列表發現計算機B連在交換機的端口2上；因此將數據幀轉發給端口2。

使用三層交換機進行VLAN間路由（VLAN間通信）

接下來設想一下計算機A與計算機C間通信時的情形。針對目標IP地址，計算機A可以判斷出通信對象不屬于同一個網絡，因此向默認網關發送數據（Frame 1）。交換機通過檢索MAC地址列表后，經由內部匯聚鏈接，將數據幀轉發給路由模塊。在通過內部匯聚鏈路時，數據幀被附加了屬于紅色VLAN的VLAN識別信息（Frame 2）。

路由模塊在收到數據幀時，先由數據幀附加的VLAN識別信息分辨出它屬于紅色VLAN，據此判斷由紅色VLAN接口負責接收并進行路由處理。因為目標網絡192.168.2.0/24是直連路由器的網絡、且對應藍色VLAN；因此，接下來就會從藍色VLAN接口經由內部匯聚鏈路轉發回交換模塊。在通過匯聚鏈路時，這次數據幀被附加上屬于藍色VLAN的識別信息（Frame 3）。

交換機收到這個幀后，檢索藍色VLAN的MAC地址列表，確認需要將它轉發給端口3。由于端口3是通常的訪問鏈接，因此轉發前會先將VLAN識別信息除去（Frame 4）。最終，計算機C成功地收到交換機轉發來的數據幀。整體的流程，與使用外部路由器時的情況十分相似——都需要經過發送方→交換模塊→路由模塊→交換模塊→接收方。