三層交換機的三層交換原理比較複雜，不同網路環境下、不同廠家的三層交換機的三層交換流程都不完全相同。如圖所示的僅乙個直接連線在一台三層交換機上的兩個不同網段主機三層交換的基本流程，各主要步驟解釋如下：
源主機在發起通訊之前，將自己的ip位址與目的主機的ip位址進行比較，如果源主機判斷目的主機與自己位於不同網段時，它需要通過閘道器來遞交報文的，所以它首先需要通過乙個arp請求報文獲取閘道器的mac位址（在源主機不知道閘道器mac位址的情形下），即源主機先傳送arp請求幀以獲取閘道器ip位址對應的mac位址。
閘道器在收到源主機發來的arp請求報文後以乙個arp應答報文進行回應，在應答報文中的「源mac位址」就包含了閘道器的mac位址。
在得到閘道器的arp應答後，源主機再用閘道器mac位址作為報文的「目的mac位址」，以源主機的ip位址作為報文的「源ip位址」，以目的主機的ip位址作為「目的ip位址」，先把傳送給目的主機的資料發給閘道器。
閘道器在收到源主機傳送給目的主機的資料後，由於檢視得知源主機和目的主機的ip位址不在同一網段，於是把資料報上傳到三層交換引擎（asic晶元），在裡面檢視有無目的主機的三層**表。
如果在三層硬體**表中沒有找到目的主機的對應表項，則向cpu請求檢視軟體路由表，如果有目的主機所在網段的路由表項，則還需要得到目的主機的mac位址，因為資料報在鏈路層是要經過幀封裝的。於是三層交換機cpu向目的主機所在網段傳送乙個arp廣播請求包，以獲得目的主機mac位址。
交換機獲得目的主機mac位址後，向arp表中新增對應的表項，並**由源主機到達目的主機的靈氣包。同時三層交換機三層引擎會結合路由表生成目的主機的三層硬體**表。
以後到達目的主機的資料報就可以直接利用三層硬體**表中的**表項進行資料交換，不用再檢視cpu中的路由表了。 以上流程適用位於不同vlan（網段）中的主機互訪時屬於這種情況，這時用於互連的交換機作三層交換**。這就是「一次路由，多次交換」的原理。
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