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三層交換機和二層交換機的區別在于：三層交換機工作于OSI模型的第三層（網絡層），二層交換機工作于OSI模型的第2層(數據鏈路層)。

二層交換技術是發展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個地址表中。三層交換技術就是二層交換技術上增加三層轉發技術，實現數據包的高速轉發，加快大型局域網內部的數據交換。

A要給B發送數據，已知目的IP，那么A就用子網掩碼取得網絡地址，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就發送一個請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包并發送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的端口。

如果目的IP地址不是同一網段的，且在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目時，就將第一個正常數據包發送向一個缺省網關，對應第三層路由模塊。然后就由三層模塊接收到此數據包，查詢路由表以確定到達B的路由，三層交換機就充當起路由和轉發的角色。當隨后確立主機A與B的MAC地址及轉發端口的對應關系時，以后的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉發。