套用背景
三層交換機在企業網和教學網中，一般會將三層交換機用在網路的核心層，用三層交換機上的千兆連線埠或百兆連線埠連線不同的子網或VLAN。不過應清醒認識到三層交換機出現最重要的目的是加快大型區域網路內部的數據交換，所具備的路由功能也多是圍繞這一目的而展開的，所以它的路由功能沒有同一檔次的專業路由器強。畢竟在安全、協定支持等方面還有許多欠缺，並不能完全取代路由器工作。
在實際套用過程中，典型的做法是：處於同一個區域網路中的各個子網的互聯以及區域網路中VLAN間的路由，用三層交換機來代替路由器，而只有區域網路與公網互聯之間要實現跨地域的網路訪問時，才通過專業路由器。
套用目的
網路骨幹
三層交換機如果採用傳統的路由器，雖然可以隔離廣播，但是性能又得不到保障。而三層交換機的性能非常高，既有三層路由的功能，又具有二層交換的網路速度。二層交換是基於MAC定址，三層交換則是轉發基於第三層地址的業務流；除了必要的路由決定過程外，大部分數據轉發過程由二層交換處理，提高了數據包轉發的效率。
三層交換機通過使用硬體交換機構實現了IP的路由功能，其最佳化的路由軟體使得路由過程效率提高，解決了傳統路由器軟體路由的速度問題。因此可以說，三層交換機具有“路由器的功能、交換機的性能”。
連線子網
同一網路上的計算機如果超過一定數量（通常在200台左右，視通信協定而定），就很可能會因為網路上大量的廣播而導致網路傳輸效率低下。為了避免在大型交換機上進行廣播所引起的廣播風暴，可將其進一步劃分為多個虛擬網（VLAN）。但是這樣做將導致一個問題：VLAN之間的通信必須通過路由器來實現。但是傳統路由器也難以勝任VLAN之間的通信任務，因為相對於區域網路的網路流量來說，傳統的普通路由器的路由能力太弱。而且千兆級路由器的價格也是非常難以接受的。如果使用三層交換機上的千兆連線埠或百兆連線埠連線不同的子網或VLAN，就在保持性能的前提下，經濟地解決了子網劃分之後子網之間必須依賴路由器進行通信的問題，因此三層交換機是連線子網的理想設備。
優勢特性
除了優秀的性能之外，三層交換機還具有一些傳統的二層交換機沒有的特性，這些特性可以給校園網和城域教育網的建設帶來許多好處，列舉如下。高可擴充性
三層交換機在連線多個子網時，子網只是與第三層交換模組建立邏輯連線，不像傳統外接路由器那樣需要增加連線埠，從而保護了用戶對校園網、城域教育網的投資。並滿足學校3~5年網路套用快速增長的需要。高性價比
三層交換機具有連線大型網路的能力，功能基本上可以取代某些傳統路由器，但是價格卻接近二層交換機。一台百兆三層交換機的價格只有幾萬元，與高端的二層交換機的價格差不多。內置安全機制
三層交換機可以與普通路由器一樣，具有訪問列表的功能，可以實現不同VLAN間的單向或雙向通訊。如果在訪問列表中進行設定，可以限制用戶訪問特定的IP位址，這樣學校就可以禁止學生訪問不健康的站點。訪問列表不僅可以用於禁止內部用戶訪問某些站點，也可以用於防止校園網、城域教育網外部的非法用戶訪問校園網、城域教育網內部的網路資源，從而提高網路的安全。
多媒體傳輸
教育網經常需要傳輸多媒體信息，這是教育網的一個特色。三層交換機具有QoS（服務質量）的控制功能，可以給不同的應用程式分配不同的頻寬。例如，在校園網、城域教育網中傳輸視頻流時，就可以專門為視頻傳輸預留一定量的專用頻寬，相當於在網路中開闢了專用通道，其他的應用程式不能占用這些預留的頻寬，因此能夠保證視頻流傳輸的穩定性。而普通的二層交換機就沒有這種特性，因此在傳輸視頻數據時，就會出現視頻忽快忽慢的抖動現象。
另外，視頻點播（VOD）也是教育網中經常使用的業務。但是由於有些視頻點播系統使用廣播來傳輸，而廣播包是不能實現跨網段的，這樣VOD就不能實現跨網段進行；如果採用單播形式實現VOD，雖然可以實現跨網段，但是支持的同時連線數就非常少，一般幾十個連線就占用了全部頻寬。而三層交換機具有組播功能，VOD的數據包以組播的形式發向各個子網，既實現了跨網段傳輸，又保證了VOD的性能。
計費功能
在高校校園網及有些地區的城域教育網中，很可能有計費的需求，因為三層交換機可以識別數據包中的IP位址信息，因此可以統計網路中計算機的數據流量，可以按流量計費，也可以統計計算機連線在網路上的時間，按時間進行計費。而普通的二層交換機就難以同時做到這兩點。第三層交換機，是直接根據第三層網路層IP位址來完成端到端的數據交換的。
工作原理
三層交換機比如A要給B傳送數據，已知目的IP，那么A就用子網掩碼取得網路地址，判斷目的IP是否與自己在同一網段。
如果在同一網段，但不知道轉發數據所需的MAC地址，A就傳送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包並傳送給交換機，交換機起用二層交換模組，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的連線埠。
如果目的IP位址顯示不是同一網段的，那么A要實現和B的通訊，在流快取條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數據包傳送向一個預設網關，這個預設網關一般在作業系統中已經設好，對應第三層路由模組，所以可見對於不是同一子網的數據，最先在MAC表中放的是預設網關的MAC地址；然後就由三層模組接收到此數據包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以預設網關的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發連線埠的對應關係，並記錄進流快取條目表，以後的A到B的數據，就直接交由二層交換模組完成。這就通常所說的一次路由多次轉發。
表面上看，第三層交換機是第二層交換器與路由器的合二為一，然而
這種結合併非簡單的物理結合，而是各取所長的邏輯結合。其重要表現是，當某一信息源的第一個數據流進行第三層交換後，其中的路由系統將會產生一個MAC地址與IP位址的映射表，並將該表存儲起來，當同一信息源的後續數據流再次進入交換環境時，交換機將根據第一次產生並保存的地址映射表，直接從第二層由源地址傳輸到目的地址，不再經過第三路由系統處理，從而消除了路由選擇時造成的網路延遲，提高了數據包的轉發效率，解決了網間傳輸信息時路由產生的速率瓶頸。所以說，第三層交換機既可完成第二層交換機的連線埠交換功能，又可完成部分路由器的路由功能。即第三層交換機的交換機方案，實際上是一個能夠支持多層次動態集成的解決方案，雖然這種多層次動態集成功能在某些程度上也能由傳統路由器和第二層交換機搭載完成，但這種搭載方案與採用三層交換機相比，不僅需要更多的設備配置、占用更大的空間、設計更多的布線和花費更高的成本，而且數據傳輸性能也要差得多，因為在海量數據傳輸中，搭載方案中的路由器無法克服路由傳輸速率瓶頸。
顯然，第二層交換機和第三層交換機都是基於連線埠地址的端到端的交換過程，雖然這種基於MAC地址和IP位址的交換機技術，能夠極大地提高各節點之間的數據傳輸率，但卻無法根據連線埠主機的套用需求來自主確定或動態限制連線埠的交換過程和數據流量，即缺乏第四層智慧型套用交換需求。第四層交換機不僅可以完成端到端交換，還能根據連線埠主機的套用特點，確定或限制它的交換流量。簡單地說，第四層交換機是基於傳輸層數據包的交換過程的，是一類基於TCP/IP協定套用層的用戶套用交換需求的新型區域網路交換機。第四層交換機支持TCP/UDP第四層以下的所有協定，可識別至少80個位元組的數據包包頭長度，可根據TCP/UDP連線埠號來區分數據包的套用類型，從而實現套用層的訪問控制和服務質量保證。所以，與其說第四層交換機是硬體網路設備，還不如說它是軟體網路管理系統。也就是說，第四層交換機是一類以軟體技術為主，以硬體技術為輔的網路管理交換設備。
最後值得指出的是，某些人在不同程度上還存在一些模糊概念，認為所謂第四層交換機實際上就是在第三層交換機上增加了具有通過辨別第四層協定連線埠的能力，僅在第三層交換機上增加了一些增值軟體罷了，因而並非工作在傳輸層，而是仍然在第三層上進行交換操作，只不過是對第三層交換更加敏感而已，從根本上否定第四層交換的關鍵技術與作用。我們知道，數據包的第二層IEEE802.1P欄位或第三層IPToS欄位可以用於區分數據包本身的優先權，我們說第四層交換機基於第四層數據包交換，這是說它可以根據第四層TCP/UDP連線埠號來分析數據包套用類型，即第四層交換機不僅完全具備第三層交換機的所有交換功能和性能，還能支持第三層交換機不可能擁有的網路流量和服務質量控制的智慧型型功能。
