大家常常听到的“一次路由，多次交换”，可以简单的理解为：在完成对收到的第一个新数据流进行路由后，产生一个MAC地址与IP地址的映射表，当具有相同地址信息的数据流再次通过时，即根据此表直接在二层完成转发。
下面以一个例子，解释三层交换机的转发原理。
如图1所示，该组网内，通信的源主机、目的主机连接在同一台三层交换机上，但它们位于不同VLAN（网段）。
对于三层交换机来说，这两台主机都位于它的直连网段内，它们的IP对应的路由都是直连路由。
图1 三层转发组网1
图1中标明了两台主机(A、B)的MAC、IP地址、网关，以及三层交换机S3600的MAC、不同VLAN配置的三层接口IP。
源主机: 简称PC A | MAC地址 简称MAC A | IP 1.1.1.2 | 网关1.1.1.1
目的主机: 简称PC B | MAC地址 简称MAC B | IP 2.1.1.2 | 网关2.1.1.1
交换机： 简称S3600 | MAC地址 简称MAC S | VLAN2三层接口IP 1.1.1.1
VLAN3三层接口IP 2.1.1.1
当 PC A 向 PC B 发起ICMP请求（ping）时，数据交换的过程如下：（假设三层交换机上还未建立任何硬件转发表项，此次交换为首次）
（1） 根据前面的描述，PC A检查出目的IP地址2.1.1.2（PC B）与自己不在同一网段，因此它发出请求：向网关地址1.1.1.1对应MAC的ARP请求；
（2） 三层交换机S3600收到PC A的ARP请求后，检查请求报文发现被请求IP是自己的三层接口IP，因此发送ARP应答并将自己的三层接口MAC（MAC S）包含在其中。同时它还会把PC A的IP地址与MAC地址对应（1.1.1.2<==>MAC A）关系记录到自己的ARP表项中去（因为ARP请求报文中包含了发送者的IP和MAC）；
（3） PC A得到网关（S3600的VLAN2 1.1.1.1）的ARP应答后，组装ICMP请求报文并发送，源MAC＝MAC A、源IP＝1.1.1.2、报文的目的MAC＝MAC S、目的IP＝2.1.1.2；
（4） S3600收到报文后，首先根据报文的源MAC+VID（即VLAN ID）更新MAC地址表。然后，根据报文的目的MAC＋VID查找MAC地址表，发现匹配了自己三层接口MAC的表项。这里说明一下，三层交换机为VLAN配置三层接口IP后，会在交换芯片的MAC地址表中添加三层接口MAC＋VID的表项，并且为表项的三层转发标志置位。当报文的目的MAC匹配这样的表项以后，说明需要作三层转发，于是继续查找交换芯片的三层表项；
（5） 交换芯片根据报文的目的IP去查找其三层表项，由于之前未建立任何表项，因此查找失败，于是将报文送到CPU去进行软件处理；
（6） CPU根据报文的目的IP去查找其软件路由表，发现匹配了一个直连网段（PC B对应的网段），于是继续查找其软件ARP表，仍然查找失败。然后S3600会在目的网段对应的VLAN 3的所有端口发送请求地址2.1.1.2对应MAC的ARP请求；
（7） PC B收到S3600发送的ARP请求后，检查发现被请求IP是自己的IP，因此发送ARP应答并将自己的MAC（MAC B）包含在其中。同时，将S3600的IP与MAC的对应关系（2.1.1.1<==>MAC S）记录到自己的ARP表中去；
（8） S3600收到PC B的ARP应答后，将其IP和MAC对应关系（2.1.1.2<==>MAC B）记录到自己的ARP表中去，并将PC A的ICMP请求报文发送给PC B，报文的目的MAC修改为PC B的MAC（MAC B），源MAC修改为自己的MAC（MAC S）。同时，在交换芯片的三层表项中根据刚得到的三层转发信息添加表项（内容包括IP、MAC、出口VLAN、出端口），这样后续的PC A发往PC B的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了；
（9） PC B收到S3600转发过来的ICMP请求报文以后，回应ICMP应答给PC A。ICMP应答报文的转发过程与前面类似，只是由于S3600在之前已经得到PC A的IP和MAC对应关系了，也同时在交换芯片中添加了相关三层表项，因此这个报文直接由交换芯片硬件转发给PC A；
（10） 这样，后续的往返报文都经过查MAC表=>查三层转发表的过程由交换芯片直接进行硬件转发了。
从上述流程可以看出，三层交换机正是充分利用了“一次路由（首包CPU转发并建立三层硬件表项）、多次交换（后续包芯片硬件转发）”的原理实现了转发性能与三层交换的完美统一。