在网络层通过修改请求目标地址进行负载均衡。如下图。
用户请求数据包到达负载均衡服务器198.100.80.10后，负载均衡服务器在操作系统内核进程获取网络数据包，根据负载均衡算法计算得到一台真实WEB服务器192.0.0.1，然后将数据目的IP地址修改为192.0.0.1，不需要通过用户进程处理。真实WEB应用服务器处理完成后，响应数据包回到负载均衡服务器，负载均衡服务器再将数据包源地址自身的IP地址198.100.80.10，发送给用户浏览器。
这里的关键在于真实物理WEB服务器响应数据包如何返回给负载均衡服务器。
一种方案是负载均衡服务器在修改目的IP地址的同时修改源地址，将数据包源地址设为自身IP，即源地址转换，这样WEB服务器的响应会再回到负载均衡服务器。
另一种方案是将负载均衡服务器同时作为真实物理服务器集群的网关服务器，这样所有响应数据都会到达负载均衡服务器。
IP负载均衡在内核进程完成数据分发，较反向代理负载均衡有更好的处理性能。但是由于所有请求响应都需要经过负载均衡服务器，集群的最大响应数据吞吐量不得不受制于负载均衡服务器网卡带宽。对于提供下载服务或者视频服务等需要传输大量数据的网站而言，难以满足需求。