多層交換是指交換機使用硬件來交換和路由數據包，通過硬件來支持4-7層的交換。交換機執行硬件交換，第3層引擎（路由處理器）須將有關路由選擇、交換、訪問列表和QoS的信息下載到硬件中，以對數據包進行處理。
MLS使用ASIC（Application-Specific Integration Circuit，應用專用集成電路）執行2層的重寫操作。2層重寫包括重寫源與目標MAC地址以及寫入重新計算後的CRC（Cyclic Redundancy Check，循環冗餘校驗）。傳統的MLS是基於NetFlow的交換。3層交換引擎（路由處理器）和2層交換ASIC芯片協同工作，建立3層條目。
3層條目包括3種形式：
1.源IP地址（S）
2.源和目標IP地址（S/D）
3.包含4層協議信息的完整流信息（FFI）
例：
工作站A向B發送數據包，首先將包發送給默認網關即RSM（route switch modual），MLS-SE交換機根據數據包所包含的目標IP爲B的IP而目標MAC爲MLS-RP模塊的MAC地址這一特性識別出該包爲一個MLS候選包。交換機由此創建流候選條目，接收包，重寫2層MAC地址和CRC，轉發數據包。交換機將RSM轉發的數據包視爲enabler數據包。在看到候選數據包和enabler包後，交換機耕硬件中創建一個MLS條目，以便後續包的的轉發。
基於CEF的MLS
CEF的MLS是基於控制平面信息和數據平面信息進行多層交換。
控制平面是指第3層引擎（路由處理器），數據平面指交換機用來進行硬件交換的硬件組伯（ASIC，Catalyst6500的Supervisor Engine和PFC模塊）。
CEF是基於拓撲的轉發模型，預先將路由信息加入Forwarding Information Base中，動態更新鄰接表中的第2層重寫信息，因此可以快速查找路由選擇信息（IP鄰接關係，下一跳IP地址，MAC地址）。
CEF的兩個組件：
FIB：基於目標IP前綴的交換決策，類似於路由器的路由表，FIB表爲路由表中轉發信息的鏡像。
鄰接關係表：如果在兩個節點間，數據鏈路層只有一跳，則稱爲彼子相鄰。用來存儲第2層編址信息，維護所有FIB條目的第2層址。3層的交換引擎和硬件交換組件都維護一個鄰接關係表。
控制平面（3層信息）用軟件建立FIB表和鄰接關係表，然後將這些信息下載到數據平面。
Catalyst6500系列交換機中，MSFC子卡負責控制平面的操作，Supervisor Engine和PFC模塊負責數據平面的操作。
交換機上第3層交換方式包括集中式和分佈式交換：
集中式交換是在一個專用的ASIC上做出轉發決策，此ASIC芯片爲3層交換中所有接口的樞紐。此時由Supervisor Engine或第3層引擎做出路由選擇、ACL、QoS和轉發決策。使用集中式交換時，交換機性能取決於中央交換引擎和交換矩陣/總線體系結構。
分佈式交換是使用3層交換機的接口或線路模塊獨立地做出轉發決策。中央交換引擎將負責第3層轉發、路由選擇表和重寫表與本地表（位於分佈式交換的模塊上）進行同步。分佈式交換機將CEF FIB和鄰接表的副本放在線路模塊或接口中，由此各線路卡獨立的做出轉發決策，數據幀通過交換矩陣直接在端口間傳輸，而不借助中央交換引擎。（*使用分佈式交換，系統性能爲所有轉發引擎之和）
Catalyst6500交換機使用集成交換矩陣（中央分佈式交換引擎）和DFC線路模塊的Supervisor Engine720（分佈式交換線路模塊）。
地址解析協議抑制：可以使得第3層引擎避免過多的ARP處理或基於ARP的DoS***。
過程：
1.收到數據包
2.使用glean鄰接關係表，查看錶中有沒有相關目標IP的2層重寫信息
3.如果有交換信息，則直接交換數據包。如果沒有，則發送ARP請求獲取重寫信息
4.轉發前幾個數據包給3層引擎，載入抑制鄰接關係表
5.在ARP響應前丟棄所有後續數據包。
6.接到ARP請求回覆，清除抑制鄰居關係表。添加鄰接關係條目。
7.如果2秒內沒有ARP回覆，清除抑制鄰接關係表，允許更多的數據包轉發給3層引擎來重新發起ARPP請求。
交換表的體系結構：多層交換機使用高速內存表來建立路由選擇表（CEF FIB和鄰接關係表），橋接表，QoS表和ACL。
多層交換用專門的內存體系結構：CAM（Content addressable Memory）和TCAM（Ternary Content Addressable Memory）。CAM提供兩種結果0和1，TCAM提供三種結果0、1和無關緊要。CAM表可以構建準確查找的表（MAC地址表），TCAM用於構建最長匹配表（根據IP前綴的IP路由選擇表）。
CAM表用於存儲2層交換表，交換機以2進制方式精確查找CAM表，如果沒有就採用默認的Flood行爲。步驟：1.將用於查找的關鍵字傳遞給哈希算法，哈希算法在CAM中查找匹配的關鍵字。2.哈希算法返回一個與關鍵字匹配的指針。3.交換機根據指針找到結果，從而避免了順序搜索整個表。
CAM表包括：目標VLAN、目標MAC地址和目標端口等信息。交換機在CAM表中不僅查找精確匹配的條目，還查找與掩碼值相匹配的IP地址條目。
TCAM表是一種爲快速查找而設計的表，用於最長匹配。通過使用TCAM，就用ACL不會影響交換機的性能。TCAM中每個條目由：value（模式值）＋Mask（掩碼值）＋result（結果）組成。這種條目被稱VMR條目。
Value（模式值）指的是要匹配的模式，如：IP地址、協議端口、DSCP值
Mask（掩碼值 ）用於決定前綴
Result（結果值）指的是與模式和掩碼匹配時的結果（TCAM中存儲IP路由選擇表，則結果爲返回一個指向硬件鄰接關係表中的一個條目的指針，該條目包含下一跳MAC重寫信息）或根據ACL匹配時所採取的permit或deny措施（TCAM中存儲ACL）。
TCAM定義了三種匹配方式：
1.精確匹配區域：存儲第3層條目的區域，如IP鄰接關係條目（包含IP地址下一跳信息“MAC地址”），第2層交換表和UDP擴散表。
2.最長匹配區域：包含多個3層地址條目組，按掩碼長度降序排列。相同組內所有條目具有相同的掩碼值和關鍵字長度。條目組可以通過從鄰接組中借用地址條目的方法，動態的改變條目組的大小。重新啓動系統後，重新配置的協議區域大小纔會生效。
3.首次匹配區域：找到匹配後立即停止查找的區域，如ACL條目。
常見的TCAM協議區域：
精確匹配區域：in-adjacency（IP鄰接關係）32 bit，12-switching（第2層交換）64 bit，udp-flooding（UDP擴散）64 bit。
最長匹配區域：ip-prefix（IP前綴）32 bit，ip-mcast（IP多播）64 bit
首次匹配區域：access-list（訪問列表）128 bit
基於CEF的MLS的交換機默認情況下啓用CEF，啓用基於CEF的MLS和基於目標的負載均衡。
查看第3層引擎的CEF表：show ip cef ［detail］
查看第3層引擎的鄰接表：show adjacency
CEF將用ARP獲得的MAC地址來填充鄰接關係表，鄰接關係表包含鄰接節點的MAC地址重寫信息和目標接口。CEF表中所有IP路由選擇條目都對應於一個下一跳地址。當交換機收到目標IP非自身，目標MAC爲交換機自身時，將在CEF表中查找目標IP所對應的轉發MAC地址，然後從接口中傳出。
單條CEF條目可能指向多個鄰接關係條目。FIB表將維護該子網的前綴。子網前綴指向一個glean鄰接關係條目。
如果接口配置了NAT或收到的數據包中包含IP報頭選項，則需要對數據包進行特殊處理。鄰接關係處理的特殊情況有：
1.Punt（轉出）鄰接關係條目：需要3層引擎進行處理或硬件交換不支持的特性
2.drop鄰接關係條目：用於丟棄入站數據包
3.Null鄰接關係條目：用於丟棄前往Null0接口的數據包，Null0接口用於過濾開自特定源的IP數據包
不能被硬件交換方式所支持的常見幀類型：
1.包含IP報頭選項的數據包
2.源自/去往隧道接口的數據包
3.使用的以太網封裝類型（非APRA）的數據包
4.需要分段的數據包