三層交換採用硬件轉發功能實現二層的交換和三層路由選擇轉發功能
作用：單臂路由雖然解決了不同vlan之間相互通信，但是隨着企業人數的增多，對路由器與交換之間的這條鏈路的利用率的要求越來越高，這條路由器與交換機之間的鏈路就變成整個網絡的瓶頸。三層交換機可以用來解決單臂路由鏈路成爲整個網絡瓶頸的問題。
三層交換設計到的技術有兩個：傳統的MLS（Multilayer Switching，多層交換）體系結構或基於CEF（cisco Experss Forwarding，cisco快速轉發）的MLS體系結構。
傳統的MLS原理：也稱爲基於網流的交換。主要是指MLS讓ASIC（Application-Specific Intgrated Circuit，應用專用集成電路）能夠對被路由的數據包執行第2層重寫操作。2層重寫操作包括重寫源和目標MAC地址，以及寫入重新計算得到的循環冗餘校驗碼（CRC）。例如：vlan1要和vlan2進行通信，vlan1將一系列的數據包發給網關，這個數據包的源MAC地址是vlan1主機的MAC地址，目標MAC地址是網關。三層交換機接受到這個數據包，在轉發數據前重寫2層封裝。三層交換使用ARP協議來獲得vlan2的主機的MAC地址。在把vlan2的MAC地址作爲發送幀的目標MAC地址來封裝數據幀，並重寫CRC值，同時，在硬件中創建一個MLS條目，一邊能夠重寫和轉發這個流中後續的數據包。這個過程常常被稱爲“一次路由，多次交換”。
基於CEF的MLS：主要包含轉發信息庫FIB和鄰接關係表。是一種基於拓撲的轉發模型，預先將所有的路由信息加入到轉發信息庫（FIB）中，這樣交換機就能夠快速查找IP鄰接關係/下一跳IP地址和MAC地址等路由選擇信息。
例如：vlan1裏的主機A和vlan2的主機B進行通信，A將數據發給自己的網關，三層交換接受到這個數據包之後，查找FIB表，查找到目標IP的地址與三層交換直連，然後查找鄰接關係表，在鄰接關係表中有IP地址與源MAC/目標MAC地址的對應關係，然後由硬件交換組件根據鄰接關係重寫2層封裝，並且快速轉發。
基於CEF的cstalyst交換機在3層上支持下述兩種硬件交換方法：集中式交換的路由選擇和轉發決策是由模塊化機箱中的監控引擎或第3層固定端口密度交換機的第3層引擎做出的，所以交換機的硬件性能取決於中央交換引擎和交換矩陣/總線體系結構；分佈式交換各個模塊獨立地作出轉發決策，系統性能爲所有轉發引擎的吞吐量總和。
| 配置命令： |
| switch(config)#ip routing |
| switch(config)#interface vlan 1 |
| switch(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 |
| switch(config-if)#no shut |
| switch(config-if)#no switchport |
| switch(config)#interface vlan 1 |
| switch(config-if)#ip helper-address dhcpserver-address |
| 查看信息： |
| switch#show ip cef（查看FIB表） |
| switch#show adjacency detail |