第三層交換機的設計是基於對IP路由的仔細分析，提取出每條報文在IP路由中必須經過的過程，這是壹個非常簡化的過程。IP路由中絕大多數的包都是沒有選項的包，所以大多數情況下處理包的IP選項是多余的。不同網絡的消息長度不同。為了適應不同的網絡，IP應該實現消息分片的功能，但是在全以太網環境下，網絡的幀長是固定的，所以也可以省略消息分片。第三層交換技術不使用路由器的最長地址掩碼匹配方法，而是使用精確的地址匹配方法來處理，有利於硬件的快速搜索。它采用使用緩存的方法，將經常使用的主機路由放入硬件查找表中，只有在這個緩存中無法匹配的條目才會被軟件轉發。在存儲和轉發過程中，采用流交換方式。在流交換中，分析第壹個消息以確定它是否代表具有相同源地址和目的地址的流或壹組消息。如果第壹個消息具有正確的特征，則識別流中的後續消息將具有相同的優先級，並且相同流中的後續消息將被交換到基於第二層的目的地址。為了實現高速交換，三層交換機都采用流量交換方式。它改進了IP路由的處理，實現了簡化的IP轉發流程，使用專用ASIC芯片實現硬件轉發，使得大部分報文處理可以在硬件中實現，只有少數報文需要通過軟件進行轉發，使得整個系統的轉發性能可以提升上千倍，同樣性能的設備成本也大大降低。
每個VLAN對應壹個IP網段。在第二層，VLAN被隔離，這與第二層交換機中交換引擎的功能完全相同。不同IP網段之間的訪問要跨越VLAN，要使用三層轉發引擎提供的VLAN間路由功能。在使用第2層交換機和路由器的網絡中，需要與其他IP網段通信的每個IP網段都需要使用路由器接口作為網關。第三層轉發引擎相當於傳統組網中的路由器。當需要與其他VLAN通信時，需要在第三層交換引擎上分配壹個路由接口，作為VLAN的網關。三層交換機上的這個路由接口在三層轉發引擎和二層轉發引擎上，通過配置轉發芯片來實現。與路由器的接口不同，它是不可見的。這裏有壹個例子來說明溝通過程。假設使用IP協議的兩個站點A和B通過第三層交換機進行通信。發送時，發送站A將其IP地址與嗶哩嗶哩的IP地址進行比較，以判斷嗶哩嗶哩是否在同壹個子網中。如果目的站B和發送站A在同壹個子網，則進行二層轉發。如果兩個站點不在同壹個子網中，如果發送站A要與目的站B通信，發送站A會發送壹個ARP(。三層交換模塊解析發送站A的目的IP地址，向目的IP地址網段發送ARP請求。收到此ARP請求後，嗶哩嗶哩會將其MAC地址回復給第三層交換模塊。第三層交換模塊保存該地址並將其回復給發送站A，同時將嗶哩嗶哩的MAC地址發送給第二層交換引擎的MAC地址表。此後，A向B發送的所有數據包都交給第2層處理，信息可以高速交換。可以看出，由於路由過程只需要三層處理，所以大部分數據都是通過二層交換轉發的，三層交換的速度非常快，接近二層交換。