一种基于硬件的四层负载均衡交换机及其交换方法，所述四层交换机包括通过总线连接的中央处理单元、上行链路接口卡、主存储器及多个接口，所述上行链路接口卡中存放有TCP连接映射表和负载分配地址变量，所述主存储器中存放有由中央处理单元维护的负载状态表。所述交换方法，包括：1)负载状态收集步骤，收集集群服务器的负载状态，并将其加入负载状态表中，把当前负载最轻的服务器的专用IP地址值赋给负载分配地址变量；2)连接建立步骤，对于到达的新建连接请求的TCP报文，所述四层交换机将其源IP地址、端口号、目的端口号及负载分配地址变量的值作为一条记录插入到TCP连接映射表中。本发明不需要经过NAT转换，提高了吞吐率、降低时延和抖动。