MLS（MultiLayerSwitching，多層交換）為交換機提供基于硬件的第三層高性能交換。它采用先進的專用集成電路（ASIC）交換部件完成子網(wǎng)間的IP包交換，可以大大減輕路由器在處理數(shù)據(jù)包時所引起的過高系統(tǒng)開銷。
MLS是一種用硬件處理包交換和重寫幀頭，從而提高IP路由性能的技術(shù)。Cisco多層交換技術(shù)支持所有傳統(tǒng)路由協(xié)議，而原來由路由器完成的幀轉(zhuǎn)發(fā)和重寫功能現(xiàn)在已經(jīng)由交換機的硬件完成。MLS將傳統(tǒng)路由器的包交換功能遷移到第三層交換機上。當然，這首先要求交換的路徑必須存在。
MLS的組成
1. 多層路由處理器(MLS-RP) 它相當于網(wǎng)絡(luò)中的路由器，負責處理每個數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，協(xié)助MLS交換引擎 (MLS-SE)在第三層的CAM(Content-Addressable Memory)中建立捷徑條目（Shortcut Entry）。MLS-RP可以是一個外部的路由器，也可以由三層交換機的路由交換模塊（RSM）來實現(xiàn)。
2. 多層交換的交換引擎 (MLS-SE)它是負責處理轉(zhuǎn)發(fā)和重寫數(shù)據(jù)包功能的交換實體。
3. 多層交換協(xié)議 (MLSP) 它是一個輕型協(xié)議，用來通過多層路由處理器(MLS-RP)對多層交換的交換引擎進行初始化。
多層交換工作過程
第一步：發(fā)送MLSP Hello 信息
當路由器激活后，多層路由處理器每15秒發(fā)送一個MLSP Hello包，這些包內(nèi)含路由器接口所使用的VLAN標識和MAC地址信息。MLS-SE通過這些信息掌握具備多層交換能力的路由器的第二層屬性。如果交換機連接了多個MLS-RP，MLS-SE通過為它們的MAC地址分配XTAG值的方法來區(qū)分每個MLS-RP的MAC地址條目。如果MLSP幀從同一個MLS-RP得到所有MAC地址，MLS-SE則為其附加相同的XTAG值，具體如圖2所示。這些關(guān)聯(lián)的記錄都存放在CAM中。由于Hello包是周期性發(fā)送的，所以，這種方法可以保證相關(guān)值動態(tài)地跟蹤網(wǎng)絡(luò)的變化，并可實現(xiàn)一定的淘汰機制。Hello包是在第二層發(fā)布的，它使用多播地址01-00-0C-DD-DD-DD。
第二步：標識候選包（CandidatePacket）
在了解具有多層交換能力的路由器的相關(guān)地址后，MLS-SE可以對進入交換機的數(shù)據(jù)包進行匹配判斷。對于一個流中的數(shù)據(jù)包，如果MLS緩存中含有與之匹配的捷徑條目，則MLS-SE就旁路路由器而直接轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包；如果MLS中不含與該數(shù)據(jù)包相匹配的捷徑條目，則MLS-SE將它歸為候選包，并在緩存中建立部分捷徑（Partialshortcut）。這樣的包采用傳統(tǒng)的第二層交換機處理方式處理，并發(fā)往與之相連的路由器接口(網(wǎng)關(guān)）。這里要注意，候選包（幀）必須滿足目標地址經(jīng)過MLSP所列的路由器接口的一個MAC地址和不存在捷徑條目兩個標準。
第三步：標識使能包（EnablePacket）
路由器收到并以傳統(tǒng)的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過數(shù)據(jù)包的目標地址路由表得知，這個包應(yīng)從FastEthernet1/0的第二個接口轉(zhuǎn)出，并將包封裝為VLAN2幀通過ISL鏈路送回。此時，路由器已經(jīng)重寫第二層幀的幀頭。同時，路由器不僅改寫了ISL頭的VLAN號，而且也修改了兩個MAC地址域：源ＭＡＣ改為路由器出口的MAC地址，目標ＭＡＣ改為主機B的MAC地址。雖然數(shù)據(jù)包的IP地址未改寫，但IP包頭的生存時間（TTL）值被減1，故IP包頭的校驗和也需要做相應(yīng)的修改。這個修改后的數(shù)據(jù)包稱為使能包（EnablePacket），當這個數(shù)據(jù)包從路由器送出并穿過交換機到達目的地主機Ｂ時，要履行下列五個功能：
第二層交換機根據(jù)使能包的目的地MAC地址，知道該數(shù)據(jù)包應(yīng)該從PORT3/1口轉(zhuǎn)發(fā)出去；MLS-SE得知使能包的幀頭上源地址是通過Hello過程建立的地址記錄之一；

MLS-SE根據(jù)使能包目的IP地址查尋在第二步中建立的部分捷徑條目；

MLS-SE將與使能包源MAC地址相關(guān)聯(lián)的XTAG值和部分捷徑條目的對應(yīng)XTAG值相比較，如果匹配，則表明這個使能包與第二步中的候選包來自同一個路由器；

MLS-SE完成該捷徑條目的建立過程，該捷徑記錄將包含重寫數(shù)據(jù)流中的后續(xù)包幀頭所需的所有信息。
第四步：直接交換（轉(zhuǎn)發(fā)）數(shù)據(jù)流中的后續(xù)包
當后續(xù)的數(shù)據(jù)包被主機A送出后，MLS-SE利用數(shù)據(jù)包中的目標IP地址查找在第三步建立的完整捷徑。地址匹配后，MLS-SE利用重寫引擎修改幀頭信息，然后直接轉(zhuǎn)發(fā)給主機B（數(shù)據(jù)包不發(fā)給路由器）。重寫操作修改幀頭域，其值同第一個被路由器修改的數(shù)據(jù)包的域值一樣。詳見圖5所示。這里需要解釋的是，NFFC(NetFlowFeature Card)是裝備在三層交換機中的網(wǎng)絡(luò)流性能卡，它維護第三層交換數(shù)據(jù)包流的交換表（MLS Cache），作為多層交換的交換引擎部分。
上述這個過程被稱為“一次路由，多次交換”。交換機利用專業(yè)化硬件ASIC來處理數(shù)據(jù)包，速度相當快，可以達到100Mbps甚至1000Mbps。