在網絡層通過修改請求目標地址進行負載均衡。如下圖。
用戶請求數據包到達負載均衡服務器198.100.80.10後，負載均衡服務器在操作系統內核進程獲取網絡數據包，根據負載均衡算法計算得到一臺真實WEB服務器192.0.0.1，然後將數據目的IP地址修改爲192.0.0.1，不需要通過用戶進程處理。真實WEB應用服務器處理完成後，響應數據包回到負載均衡服務器，負載均衡服務器再將數據包源地址自身的IP地址198.100.80.10，發送給用戶瀏覽器。
這裏的關鍵在於真實物理WEB服務器響應數據包如何返回給負載均衡服務器。
一種方案是負載均衡服務器在修改目的IP地址的同時修改源地址，將數據包源地址設爲自身IP，即源地址轉換，這樣WEB服務器的響應會再回到負載均衡服務器。
另一種方案是將負載均衡服務器同時作爲真實物理服務器集羣的網關服務器，這樣所有響應數據都會到達負載均衡服務器。
IP負載均衡在內核進程完成數據分發，較反向代理負載均衡有更好的處理性能。但是由於所有請求響應都需要經過負載均衡服務器，集羣的最大響應數據吞吐量不得不受制於負載均衡服務器網卡帶寬。對於提供下載服務或者視頻服務等需要傳輸大量數據的網站而言，難以滿足需求。