MLS（MultiLayer Switching，多层交换）为交换机提供基于硬件的第三层高性能交换。它采用先进的专用集成电路（ASIC）交换部件完成子网间的IP包交换，可以大大减轻 路由器在处理数据包时所引起的过高系统开销。
MLS是一种用硬件处理包交换和重写帧头，从而提高IP路由性能的技术。Cisco多层交换技术支持所有传统路由协议，而原来由 路由器完成的帧转发和重写功能现在已经由交换机的硬件完成。MLS将传统 路由器的包交换功能迁移到第三层交换机上。当然，这首先要求交换的路径必须存在。
MLS由以下三个部分组成:
1. 多层路由处理器 (MLS-RP) 它相当于网络中的 路由器，负责处理每个数据流的第一个数据包，协助MLS交换引擎 (MLS-SE)在第三层的CAM (Content-Addressable Memory)中建立捷径条目（Shortcut Entry）。MLS-RP可以是一个外部的 路由器，也可以由三层交换机的路由交换模块（RSM）来实现。
2. 多层交换的交换引擎 (MLS-SE) 它是负责处理转发和重写数据包功能的交换实体。
3. 多层交换协议 (MLSP) 它是一个轻型协议，用来通过多层路由处理器 (MLS-RP)对多层交换的交换引擎进行初始化。
下面以图1所示的网络为例，阐述多层交换实现的步骤。
　
第一步：发送MLSP Hello 信息
当 路由器激活后，多层路由处理器每15秒发送一个MLSP Hello包，这些包内含 路由器接口所使用的VLAN标识和MAC地址信息。MLS-SE通过这些信息掌握具备多层交换能力的 路由器的 第二层属性。如果交换机连接了多个MLS-RP，MLS-SE通过为它们的MAC地址分配XTAG值的方法来区分每个MLS-RP的MAC地址条目。如果 MLSP帧从同一个MLS-RP得到所有MAC地址，MLS-SE则为其附加相同的XTAG值，具体如图2所示。这些关联的记录都存放在CAM中。由于 Hello包是周期性发送的，所以，这种方法可以保证相关值动态地跟踪网络的变化，并可实现一定的淘汰机制。 Hello包是在第二层发布的，它使用多播地址01-00-0C-DD-DD-DD。
　
第二步：标识候选包（Candidate Packet）
在了解具有多层交换能力的 路由器的相关地址后，MLS-SE可以对进入交换机的数据包进行匹配判断。对于一个流中的数据包，如果MLS缓存中含有与之匹配的捷径条目，则MLS-SE就旁路 路由器而直接转发该数据包；如果MLS中不含与该数据包相匹配的捷径条目，则MLS-SE将它归为候选包，并在缓存中建立部分捷径（Partial shortcut）。这样的包采用传统的第二层交换机处理方式处理，并发往与之相连的 路由器接口(网关），具体见图3所示。
　
这里要注意，候选包（帧）必须满足两个标准：目标地址经过MLSP所列的 路由器接口的一个MAC地址；不存在捷径条目。
第三步：标识使能包（Enable Packet）
路由器收到并以传统的方式转发数据包。通过数据包的目标地址路由表得知，这个包应从Fast Ethernet1/0的第二个接口转出，并将包封装为VLAN2帧通过ISL链路送回。具体过程如图4所示。
　
此时， 路由器已经重写第二层帧的帧头。同时， 路由器不仅改写了ISL头的VLAN号，而且也修改了两个MAC 地址域 ：源ＭＡＣ改为 路由器出口的MAC地址，目标ＭＡＣ改为主机B的MAC地址。虽然数据包的IP地址未改写，但IP包头的生存时间（TTL）值被减1，故IP包头的校验和也需要做相应的修改。
这个修改后的数据包称为使能包（Enable Packet），当这个数据包从 路由器送出并穿过交换机到达目的地主机Ｂ时，要履行下列五个功能：
第二层交换机根据使能包的目的地MAC地址，知道该数据包应该从PORT3/1口转发出去；
MLS-SE得知使能包的帧头上源地址是通过Hello过程建立的地址记录之一；
MLS-SE根据使能包目的IP地址查寻在第二步中建立的部分捷径条目；
MLS-SE将与使能包源MAC地址相关联的XTAG值和部分捷径条目的对应XTAG值相比较，如果匹配，则表明这个使能包与第二步中的候选包来自同一个 路由器；
MLS-SE完成该捷径条目的建立过程，该捷径记录将包含重写数据流中的后续包帧头所需的所有信息。
第四步：直接交换（转发）数据流中的后续包
当后续的数据包被主机A送出后，MLS-SE利用数据包中的目标IP地址查找在第三步建立的完整捷径。地址匹配后，MLS-SE利用重写引擎修改帧头信息，然后直接转发给主机B（数据包不发给 路由器）。重写操作修改帧头域，其值同第一个被 路由器修改的数据包的域值一样。详见图5所示。这里需要解释的是，NFFC(NetFlow Feature Card)是装备在三层交换机中的网络流性能卡，它维护第三层交换数据包流的交换表（MLS Cache），作为多层交换的交换引擎部分。

上述这个过程被称为“一次路由，多次交换”。交换机利用专业化硬件ASIC来处理数据包，速度相当快，可以达到100Mbps甚至1000Mbps。