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三层交换机的工作原理可以用一句话概括为：”一次路由，多次交换“。
首先简单回顾一下二层交换机的工作原理：
当二层交换机收到一个陌生的数据帧时，
会先将该数据帧的源MAC地址以及收到该帧的接口映射到MAC地址表中；
之后再根据MAC地址表查找该数据帧的目的MAC地址及其所对应的接口，若有则转发，若无则泛洪。
而到了三层交换机，由于三层交换机既有交换功能，也有路由功能，那么三层交换机的工作原理：
当三层交换机收到一个数据包时，
首先会查看源MAC地址，若是本地MAC地址，则解二层封装，若不是则丢弃；
解封装后，查看路由表，找到目的IP地址所对应的出接口和下一跳，然后找到出接口和下一跳的MAC地址，分别作为源MAC地址和目的MAC地址，进行新的二层封装；
若找不到下一跳的MAC地址，则进行ARP泛洪，若仍未找到则丢弃。
以上过程就是所谓的“一次路由”，此时由于三层交换机经过了路由表、MAC地址表的查找，形成了源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址、入接口、出接口的总的相互映射关系，也就是形成了一张“IP-MAC-接口”的总表，那么三层交换机再次收到相同的数据包时，就可以不再走路由，而是查找这张“总表”直接进行交换过程，这就是所谓的“多次交换”。
路由的查找需要软件的参与而消耗大量时间，而交换过程可以通过硬件（CAM芯片）可以快速实现。由于三层交换机的“一次路由，多次交换”的工作原理，使得三层交换机节省了大量因查找路由表而损耗的时间，从而大大提高了转发效率。因此三层交换机广泛应用在园区网的三层架构中的汇聚层，给内网提供子网间路由，大大提高园区内网的通信速度。
虽然三层交换机有优于路由器的地方，但三层交换机是不可能完全替代路由器的，原因在于：
路由器可以实现不同种网络的连接，支持更多的路由协议
路由器一般情况下路由性能比三层交换机更强（如CPU，内存等）
路由器能够实现NAT，而一般交换机没有NAT功能
归根结底还是因为普通三层交换机的物理性能通常不如路由器，无法承载路由器某些繁杂的工作（高端三层交换机除外）。