随着因特网规模的飞速发展，联网设备数量不断增加，地址空间大小只有2^32的IPv4地址正面临着枯竭，而作为下一代网络层协议的IPv6虽然拥有巨大的地址数量，但面对庞大的历史遗留问题也显得力不从心。在这种情况下，NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术应运而生。NAT的作用，是让多个拥有独立内网IP的设备，能够共用一个外网IP和外部进行通信。由于不同内网IP互不干涉，不同内网下的设备可以使用同一个内网IP，这样一来，IP地址的短缺现象就大大缓解了。
NAT基本原理和大致流程
NAT技术搭载在路由器上，通过修改经由该路由器转发的数据报来达到目的。众所周知，无论是TCP还是UDP传输协议，都涉及到四个属性：源地址、源端口、目标地址和目标端口。假设设备A要向设备B发送数据，它会把自己的地址，以及设备B的IP地址放入IP数据报的首部。在没有NAT存在的情况下，两个设备之间的路由器会根据这个首部信息和自身的路由表，将数据报转发向另一个更接近B的路由器，直至数据报最终到达设备B。在这个过程中，虽然数据报经过了多个路由器的转发，但它的首部是不变的。
然而，使用了NAT技术的路由器（以下称它为N）会打破这个规则。N会把自己的管理的网段分为内外两侧，位于两侧的主机进行的一切通信都要经过N的转发。在每个外侧网段，N都需要一个全球唯一的外网IP地址（除非这个网段位于另一个NAT的内部，这种情况下，外网IP只需在该网段内唯一即可），而在内侧网段，所有主机，包括N自身的IP都可以任意决定，但为了避免和已有的外网IP冲突导致分不清内外侧的主机，一般都会是一些特殊格式，例如我们常见的“192.168.x.x”。
假设A位于N的内侧，那么在A第一次用自己的端口X向B发送数据的时候，N首先会根据路由表找出B在哪个外侧网段上，在对应网段上为A分配一个端口Y，然后在自身的内存中新建一对映射关系：“外网端口Y对应内网主机A的端口X”。之后，它会偷偷修改数据报的首部，把源地址改成自己对应网段的外网IP，还会修改数据报的内容，把源端口从X改成Y（注意“端口”是传输层的概念，不属于IP数据报的首部）。随后它又回到了一个正常路由器的行为，把数据报转发向下一跳路由器。这样一来，在位于外侧网段的B看来，所有来自A的通信看起来都像是由N发起的，于是它会被“蒙在鼓里”，将N的外网IP和端口Y作为目标地址和目标端口来发送响应。N在收到响应后，会从映射表中查找之前建立的端口Y条目，然后根据条目内容再一次修改数据报，把目标地址改成A，目标端口改成X，最后把数据报发送给A。在A看来，这个数据报也是正常由B发出的，没有任何异常之处，于是它就高兴地接受了这个数据报。
以上就是NAT的完整工作流程了。从上面的描述中可以看出，NAT是一种覆盖网络层和传输层的，对通信双方和中间路由透明的外网地址复用手段。由于内网中的所有IP经NAT转换后，都只对应着一个由NAT设备持有，和它们毫不相干的外网IP，自然就不用考虑为每个内网设备分配一个在外网中唯一的IP了。
NAT的固有缺陷
俗话说“没有银弹”，看似美好的NAT技术也有着一个致命的缺陷：NAT内侧的设备无法作为连接的接受方，换句话说，不能作为服务器。理由很显然：在内侧设备A没有主动向外侧发起连接的情况下，NAT设备N中根本没有对应的映射关系，无论外网设备访问N的哪个端口，都没办法让N将数据转发给A。这个问题在传统的C/S模式下还没那么严重，因为服务器一般都有自己的公网IP；但在P2P网络中，每个主机都需要扮演服务器的角色，NAT后的主机根本无法成为有效的P2P节点。这就是P2P下载速度在国内很慢的最主要原因：国内的ISP大量使用了NAT技术，导致宽带用户无法获取到公网IP。因此，人们对P2P应用的需求，催生了各种NAT穿透技术。
NAT类型
在讲解NAT穿透的各种方式前，首先有必要了解NAT的不同类型，以便 “逐个击破”。总的来说，NAT主要分为两大类：
- 锥型（Cone）
- 对称型（Symmetric）（D类）
其中锥形NAT还分为以下三个子类：
- 完全（Full）（A类）
- 地址受限型（Address Restricted）（B类）
- 端口受限型（Port Restricted）（C类）
习惯上，还可以用后面括号中的字母代指NAT类型。在之后的讨论中，为简略起见，我们假设NAT设备只有一个外网IP。
锥型NAT vs 对称型NAT
锥型NAT和对称型NAT的主要区别，在于内部主机向新的外部地址发送数据时，NAT设备的行为。下面我们假设内部主机的端口X已经和NAT设备的外网端口Y建立了映射关系。在两种NAT中，这个关系都会一直保持下去，直到一段时间没有使用后被删除。
- 在锥型NAT中，只要内部主机继续用端口X发送数据，不管发送给谁，这个数据的外网侧源端口都会被转换成Y。
- 在对称型NAT中，只要发送目标的IP或者端口发生了变化，哪怕源端口依然是X，路由器也会建立一个新的映射关系，用一个新的外网端口向这个目标进行转发。
用形式化的说法来总结的话，锥型NAT的映射函数是（内网源IP，源端口）-》（外网端口），而对称型NAT的映射函数是（内网源IP，源端口，目标IP，目标端口）-》（外网端口）。显然，对称型NAT对端口资源的消耗更大，对内网设备限制也更大，因此穿透难度也更大。
锥型NAT的三个子类
锥型NAT三个子类的主要区别，在于外部主机向已经建立映射关系的端口发送数据时，NAT设备的行为。下面我们依然假设内部主机A的端口X已经和NAT设备的外网端口Y建立了映射关系。此外，假设这个映射关系是A通过访问外网主机B的端口Z建立起来的。
- 在完全锥型NAT中，NAT设备会无条件将Y收到的数据报转发给A的端口X，不论数据报来自何处。
- 在地址受限型NAT中，只有来自B的数据报才会被转发，但不论是来自B的哪个端口。
- 在端口受限型NAT中，只有来自B且端口为Z的数据报才会被转发。
- 对称型NAT在这方面的行为和端口受限型NAT一致。
可见，三个子类的限制依次加强，穿透难度也依次增加。
NAT穿透
首先给出（笔者个人）对NAT穿透的定义：一种在外网中继节点的帮助下，让两个位于各自NAT后的主机建立点对点连接的手段。从以上定义中可以看出：
- 只有通信双方都位于NAT后面时，才需要进行穿透。如果任意一方拥有外网地址，只需让该主机作为连接接受方，另一方作为连接发起方即可。
- NAT穿透必须有一个拥有外网IP的中继节点的帮助，但连接建立后发送的数据并不经过中继节点。
接下来，我们将通信双方的NAT类型分为三种情况，对相应的穿透手段分别进行讨论。下面我们假设A和B之间要建立连接，它们的NAT设备分别为NA和NB，中继节点为S。
双方都是ABC类NAT
这是最简单的情况，流程如下：
- A向S发送一个数据报，S收到的数据报会拥有NA的源地址和一个在NA上新分配的源端口X。
- B向S发出请求，获取NA的地址和端口X。S在收到B向A的连接请求后，会把请求中包含的NB源地址和端口Y回传给A。由于A刚刚在NA上建立了和S的映射关系，这个消息可以成功到达A。
- A向NB的端口Y发送一个任意数据报，这个数据报依旧拥有端口X（回忆下锥型NAT的定义）。它不会到达B，但会在NA上允许来自NB端口Y的数据由端口X传入并到达A。
- B向NA的端口X发出连接请求。由于这个请求依旧拥有端口Y，它会被NA转发给A。
- A向NB的端口Y发送回复，回复会被NB转发给B，连接成功建立。
注意：1、3、5步A发送信息使用的端口必须是同一个，2、4步B的端口也必须是同一个。个中原因留给大家自行思考，结合之前的NAT原理就能很快得出答案。
第三步A向NB发送数据报的过程被形象地称为“打洞”，因为这个数据报成功在NA上开了一个“洞”，来自NB的外部连接可以从“洞”里进来到达A。退一步来说，假设NA是一个完全锥型NAT，甚至连打洞都不需要，B在收到NA的地址和端口后，直接向那里发送连接请求即可。
一方是D类NAT，另一方是AB类NAT
这种情况和上一种差不多，但“打洞”的一方必须是位于AB类NAT后的那方。具体流程和上面相同，只是要把AB类NAT后的一方看成A，另一方看成B。
为什么D类不能打洞？因为在第三步中，就算A使用了和第一步相同的端口，在NA上也会被转换为和X不同的另一个端口。这样一来，B还是无法向X发送数据，因为X并没有和NB建立联系。A也没办法把这个新端口告诉B，因为这个端口A不知道，S也不知道。
一方是D类NAT，另一方是CD类NAT
不幸的是，这种情况下NAT穿透是不可行的，只能通过中继服务器来转发A和B之间的一切数据。
那么，为什么C类也不能打洞了？原因很简单，如果对面是D类NAT，就算打了洞，第四步也会失败，因为B无法用之前约定好的端口Y来连接NA，也就是“进不去洞”。如果打洞者换成B类就好说了，这种情况下只要NB的IP不变，连接请求就可以“进洞”。
NAT穿透相关协议
- 部署STUN协议的服务器可以检测用户的NAT类型，并且告知用户在公网上的IP地址。
- 部署TURN协议的服务器可以在无法穿透时转发用户的TCP和UDP流量。
- UPnP协议允许应用主动在NAT上打洞，并且让这个洞的表现看起来像是完全锥型NAT。
这些协议的具体细节就不再详细叙述了，感兴趣的读者可以自行了解。