三层交换机的工作过程，如果目的IP地址显示不是同一网段的，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，这个缺省网关的IP对应第三层路由模块，所以对于不是同一子网的数据，先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址（由源主机A完成）；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后的A到B的数据（三层交换机要确认是由A到B而不是到C的数据，还要读取帧中的IP地址。），就直接交由二层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。
交换机数据传送的工作原理：交换机的任意节点收到数据传输指令后，即对于存储在内存里的地址表进行快速查找，从而对于MAC地址的网卡连接位置进行确认，然后再将数据传输到该节点上。如果在地址表中找到相应的位置，则进行传输；如果没有，交换机就会将该地址进行记录，以利于下次寻找和使用。交换机一般只需要将帧发送到相应的点，而无需如集线器发送到所有节点，从而节省了资源和时间，提高了数据传输的速率。
三层交换机的重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门、地域等等因素划分成一个个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯的使用二层交换机不能实现网际互访；如单纯的使用路由器，由于接口数量有限和路由转发速度慢，将限制网络的速度和网络规模，采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为选择。
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