這種負載均衡數據分發過程中不修改IP地址，只修改目的mac地址，通過配置真實物理地址集羣所有機器虛擬IP和負載均衡服務器IP地址一致，從而達到不修改數據包的源地址和目的地址就可以進行數據分發的目的，由於實際處理請求的真實物理服務器IP和數據請求IP一致，不需要通過負載均衡服務器進行地址轉換，可將響應數據包直接返回給用戶瀏覽器，避免負載均衡服務器網卡寬帶成爲瓶頸。這種負載均衡方式又稱作直接路由方式(DR)。
上圖中，用戶請求到達負載均衡服務器192.100.80.10，負載均衡服務器將請求數據的目的mac地址修改爲2a:2b:2c:10，並不修改數目包目標IP地址，由於w
eb服務器集羣所有服務器的虛擬IP地址都和負載均衡服務器的IP地址相同，因此數據可以正常傳輸到達mac地址2a:2b:2c:10對應的服務器，該服務器處理完成後發送響應數據到網站的網關服務器，網關服務器直接將該數據包發送到用戶瀏覽器，響應數據不需要通過負載均衡服務器。使用鏈路層負載均衡是目前大型網站使用最廣的一種負載均衡手段。在Linux平臺上最好的鏈路層負載均衡開源產品是LVS(Linux Virrual Server)。