三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網絡內部的數據的快速轉發，加入路由功能也是爲這個目的服務的。如果把大型網絡按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網，這將導致大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實現網際互訪；如單純的使用路由器，由於接口數量有限和路由轉發速度慢，將限制網絡的速度和網絡規模，採用具有路由功能的快速轉發的三層交換機就成爲首選。
一般來說，在內網數據流量大，要求快速轉發響應的網絡中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，將網間的路由交由路由器去完成，充分發揮不同設備的優點，不失爲一種好的組網策略，當然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼爲網際互連。
第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層網橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據TCP/UDP(第四層) 應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務器。它傳輸的業務服從的協議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協議。這些業務在物理服務器基礎上，需要複雜的載量平衡算法。在IP世界，業務類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。
在第四層交換中爲每個供搜尋使用的服務器組設立虛IP地址（VIP），每組服務器支持某種應用。在域名服務器（DNS）中存儲的每個應用服務器地址是VIP，而不是真實的服務器地址。
當某用戶申請應用時，一個帶有目標服務器組的VIP連接請求（例如一個TCP SYN包）發給服務器交換機。服務器交換機在組中選取最好的服務器，將終端地址中的VIP用實際服務器的IP取代，並將連接請求傳給服務器。這樣，同一區間所有的包由服務器交換機進行映射，在用戶和同一服務器間進行傳輸。
OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網絡源和目標系統之間協調通信。在IP協議棧中這是TCP（一種傳輸協議）和UDP（用戶數據包協議）所在的協議層。
在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（portnumber），它們可以唯一區分每個數據包包含哪些應用協議（例如HTTP、FTP等）。端點系統利用這種信息來區分包中的數據，尤其是端口號使一個接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包類型，並把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合通常稱作“插口（socket）”。 1和255之間的端口號被保留，他們稱爲“熟知”端口，也就是說，在所有主機TCP/IP協議棧實現中，這些端口號是相同的。除了“熟知”端口外，標準UNIX服務分配在256到1024端口範圍，定製的應用一般在1024以上分配端口號. 分配端口號的最近清單可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP／UDP端口號提供的附加信息可以爲網絡交換機所利用，這是第4層交換的基礎。
"熟知"端口號舉例:
應用協議 端口號
FTP 20（數據）
21（控制）
TELNET 23
SMTP 25
IMAP 143
POP3 110
HTTP 80
NNTP 119
NNMP 16 162（SNMP traps）
TCP/UDP端口號提供的附加信息可以爲網絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。
在中小型企業中，二層位接入層，三層爲匯聚層，四層爲核心層。