簡介

隨著越來越多的家庭和小型企業添置計算機，它們會發現網絡是一種非常強大的計算機資源共享工具。Internet 連接則是網絡上更珍貴的資源，有可能被共享。為共享 Internet 連接，同時利用價格便宜、管理簡單的家庭或小型辦公網絡，需要部署 Internet 網關。Internet 網關通常將 NAT (網絡地址轉換) 作為將多個主機連接到 Internet 以共享單個公共 IP 地址的途徑。但不幸的是，該解決方案卻會破壞多種網絡應用程序。我們將在本文中對此加以說明。

現有的“NAT 穿越”技術允許網絡應用程序檢測是否存在本地 NAT 設備。檢測到后，應用程序隨即對 NAT 進行配置，定義相應的映射來解決兼容性問題。

本文屬于概述性文章，將向網絡應用程序的用戶和開發人員簡要介紹一下 NAT，介紹如何識別常見 NAT 問題，同時介紹應用程序如何使用 “NAT 穿越”解決這些問題。需要關注的 Internet 網關設備的一個重要特征是 UPnP 認證。使用者購買或從服務提供商那里租借 Internet 網關設備時，強烈建議只考慮那些通過用于 NAT 穿越的 UPnP 認證的設備，這是因為該功能對于滿足用戶、降低支持費用及使用更有創新性的服務和應用程序而言至關重要。

對網關設備廠商而言，在 Internet 網關設備中加入對 NAT 穿越的 UPnP 技術支持并不復雜，費用不高，也不用花大量的時間。通過使用 UPnP (已經是基于 Internet 標準和協議的)，Internet 網關設備制造商就可以解決 NAT 穿越問題，并將優點延伸至大多數經過該設備的應用程序。這同許多應用程序開發人員或網關設備制造商不得不為解決上述問題而提供一次性解決方案形成鮮明的對比。本文并非旨在為希望在 Internet 網關設備中實施“NAT 穿越”的硬件制造商提供詳細的指南。有關此信息，請參閱 UPnP 論壇 Web 站點。

Windows 體系結構、網絡以及 UPnP 體系結構方面的知識會對充分理解本文會有所幫助，但并不是必需的。

什么是 NAT？

網絡地址轉換 (NAT) 是一個 Internet 工程任務組 (Internet Engineering Task Force，IETF) 標準，用于允許專用網絡上的多臺 PC (使用專用地址段，例如 10.0.x.x、192.168.x.x、172.x.x.x) 共享單個、全局路由的 IPv4 地址。IPv4 地址日益不足是經常部署 NAT 的一個主要原因。Windows XP 和 Windows Me 中的“Internet 連接共享”及許多 Internet 網關設備都使用 NAT，尤其是在通過 DSL 或電纜調制解調器連接寬帶網的情況下。

NAT 對于解決 IPv4 地址耗費問題 (在 IPv6 部署中卻沒必要) 盡管很有效，但畢竟屬于臨時性的解決方案。這種 IPv4 地址占用問題在亞洲及世界其他一些地方已比較嚴重，且日漸成為北美地區需要關注的問題。這就是人們為什么長久以來一直關注使用 IPv6 來克服這個問題的原因所在。

除了減少所需的 IPv4 地址外，由于專用網絡之外的所有主機都通過一個共享的 IP 地址來監控通信，因此 NAT 還為專用網絡提供了一個隱匿層。NAT 與 防火墻 或代理服務器不同，但它確實有利于安全。

圖 1：使用 NAT 設備進行 Internet 通信的網絡示例。 正如固定電纜調制解調器或 DSL 調制解調器可以作為 NAT 設備一樣， PC 也可以作為 NAT 設備。 常規 NAT 操作

NAT 設備后面的客戶端通常通過 DHCP (動態主機配置協議) 分配到專用的 IP 地址，或者由管理員進行靜態配置。在該專用網絡的外面進行通信時，通常會發生下列事情。

在客戶機上

當應用程序想同服務器通信時，它將打開與源 IP 地址、源端口、目標 IP 地址、目標端口及網絡協議相關聯的套接字。這樣可以識別通信所需的兩個端點。當應用程序利用該套接字傳輸信息時，客戶機的專用 IP 地址 (源 IP 地址) 和端口 (源端口) 將被插入數據包的源字段中。數據包的目標字段將包含服務器的 IP 地址 (遠程主機 - 目標 IP 地址) 和端口。由于該數據包的目的地是該專用網絡之外的某個位置，因此客戶機將把該數據包轉發給默認的網關。這種情況下的默認網關就是 NAT 設備。

NAT 設備上的輸出數據包

NAT 設備將截獲該輸出數據包，然后利用目標 IP 地址 (服務器)、目標端口、NAT 設備的外部 IP 地址、外部端口、網絡協議及客戶機的內部 IP 地址和端口來創建端口映射。

NAT 設備將維護這些映射組成的表，并將該端口的映射存儲在表中。外部 IP 地址和端口就是該數據通信用于取代內部客戶機 IP 地址和端口的公共 IP 地址和端口。

NAT 設備隨即將來自客戶機專用內部 IP 地址和端口的數據包的源字段轉換為 NAT 設備的公共 IP 地址和端口，從而對這些數據包進行轉換。

然后，數據包將通過外部網絡發送出去，并最終到達目標服務器。

圖 2：出站數據包轉換的示例。

服務器上

當服務器接收到數據包時，它認為自己是在和一臺具有可全球路由 IP 地址的計算機進行通信。它會利用自己源字段中的 IP 地址和端口將響應數據包定向到 NAT 設備的外部 IP 地址和端口。

NAT 設備上的輸入數據包

NAT 從服務器那接收到這些數據包，然后將數據包與其端口映射表進行比較。如果 NAT 發現某個端口映射的遠程主機 IP 地址、遠程端口、外部端口及網絡協議與輸入數據包的源 IP 地址、源端口、目標端口和網絡協議匹配，NAT 就會進行反向轉換。NAT 將把數據包目標字段中的外部 IP 地址和外部端口替換為客戶機的專用 IP 地址和內部端口。

然后，NAT 將內部網絡上的數據包發送給客戶機。然而，如果 NAT 找不到對應的端口映射，它就會丟棄輸入數據包并中斷連接。

NAT 的作用是，客戶機將能在全球 Internet 上與專用 IP 地址進行通訊，而應用程序或客戶機卻無需做任何額外的工作。這意味著應用程序不必調用額外的 API，客戶機也不必執行附加的配置。在這種情況下，NAT 對客戶機和服務器應用程序來說都是透明的 - 所有對象都正常工作。

但是，并非所有網絡應用程序都使用能與 NAT 協同工作的協議。這就是問題的所在。

NAT 與應用程序之間的常見問題

如果客戶機在開始連接和接收回復時都使用同一端口，則讓客戶機利用 NAT 來共享單個可全局路由的 IP 地址不會有什么問題。但是，許多應用程序所用策略的假定條件在 NAT 設備用于連接 Internet 時都不成立。這里將討論其中一些問題。

內部網絡上的服務

很多網絡服務或服務器假定，如果建立監聽套接字，則 Internet 上的所有客戶機都可以與之聯系。如果在網絡的邊界上有 NAT 設備，為了將通信引入到內部網絡服務，NAT 需要存在端口映射。但在網絡邊緣上有 NAT 設備時，NAT 卻要求進行端口映射，以便將輸入通訊轉發給內部網絡上的服務。因此，該服務僅對專用網絡上的客戶機有效。它對于 Internet 其余部分而言不可用。

該問題最常見的解決辦法是手動配置端口映射，使 NAT 設備將定向給 NAT 特定外部 IP 地址和端口的通信轉發給該服務所用的內部 IP 地址和端口。

利用該端口映射，服務可以接收輸入數據包，從而使服務可被專用網絡外部的客戶機所使用。建立端口映射之前，網絡是斷開的。

手動配置映射通常很復雜，為了正確配置映射需要較有經驗的用戶。因此，除非是聯系自己寬帶 Internet 服務提供商、PC 制造商、零售商或 Internet 網關制造商的客戶服務中心以嘗試找到問題的根源及解決方案，否則許多一般用戶或小型企業用戶將無法使用所需的應用程序或服務。上述情況還會造成映射的不嚴格：許多外部客戶機都可以使用該映射來連接服務器。

嵌入地址或端口

有些網絡應用程序假定客戶機所分配的 IP 地址和端口將始終可進行全局路由，并可直接在 Internet 上使用。許多情況下，它們屬于 IETF 保留地址范圍內的專用 IP 地址。應用程序會在發送給服務器的數據包的負載中包含該專用 IP 地址或端口。服務器可以將該嵌入地址用作聯系客戶機時所用的地址。

如果服務器試圖用嵌入 IP 地址和端口進行回復，而非 NAT 提供的映射地址和端口，系統就會丟棄該數據包。這是因為嵌入 IP 地址是無法路由的。如果網絡應用程序能找到 NAT 設備并檢索到所要使用的外部 IP 地址和外部端口映射，應用程序就可以在數據包中嵌入正確的信息。

　使用分散套接字的應用程序

還有一些網絡應用程序使用端口 ' X ' 上的套接字向服務器或對等計算機發送通訊信息，然后等待將服務器的通訊信息接收到端口 ' Y ' 的獨立監聽套接字上。NAT 將監視輸出通訊并為端口 ' X ' 創建端口映射，但并不對尋址到端口 ' Y ' 的返回數據包進行端口映射。尋址到端口 ' Y ' 的輸入數據包將被丟棄。

需要端口可用

有些網絡協議假定始終有可全局路由的已知端口可用。當多個客戶機共享 IP 地址時，每次將只有一個客戶機能使用已知端口。例如，每次只有一個 Web 服務能使用本地網絡上的端口 80。如果不是這樣，NAT 設備將無法確定外部請求所適用的客戶機。即使在配置端口映射的用戶的幫助下，如果從本地網絡的外部能找到多個客戶機，也必須采取某些特殊的措施。

多個 NAT

對于客戶機位于一個 NAT 后面的 NAT 的后面這個問題已經超出了本文所涵蓋的范圍。

對用戶和行業的影響

上一段介紹了與 NAT 穿越有關的技術問題。從用戶的角度講，它所造成的影響比較簡單：人們再也無法使用受 NAT 干擾的服務或應用程序。

現在，大多數用戶甚至沒有意識到自己已成為這種 NAT 問題的“受害者”。他們只是知道，當試圖玩多人游戲或者使用對等應用程序 (例如進行實時通訊) 或其他某些應用程序時，卻無法玩或無法使用。他們可能會在 PC 上看到類似“無法連接”等的錯誤消息，或者在試圖使用應用程序時，程序卻出現故障。

有時，具有撥號調制解調器 Internet 連接的用戶在使用撥號調制解調器時不會出現上述問題。但當用戶使用寬帶服務并將 DSL 或電纜調制解調器設備與 NAT 一起使用時，卻出現故障。在進行快速 Internet 連接的情況下，這些用戶尤其會受到 NAT 問題的困擾：它們會突然導致用戶無法玩游戲或使用其他服務。

這導致了用戶的不滿，矛頭指向 PC 生產商、ISP、Internet 網關提供商等等。通常，用戶并不知道問題的根源，而技術支持人員也并不總能知道如何通過電話解決這些問題。

這已不僅是用戶的問題。它也成為向用戶提供產品和服務的制造商的問題。用戶在試圖解決這些由 NAT 引起的問題時會撥打支持電話，而這部分費用會減少制造商或零售商的利潤，甚至使其無利可圖。這些問題會導致用戶對試用服務的不滿，從而使某些用戶降低了對后續的新服務或新應用程序的興趣。因此，NAT 會妨礙其他創新產品/服務的推出和使用。

鑒于上述因素，解決 NAT 問題已成為業界的一項重要任務。

什么是“NAT 穿越”？

“NAT 穿越”是這樣一組功能：它允許網絡應用程序能明確自己位于 NAT 設備的后面，獲得外部 IP 地址，并將端口映射配置為將 NAT 外部端口的數據包轉發給應用程序所用的內部端口，而所有這些都是自動完成的，因此用戶不必手動配置端口映射或其他類似的方面。

相對與目前所用的、面向特定應用程序的其他方法而言，這對于解決由 NAT 引起的連接問題確實是一種更為全面的解決方案。目前使用的那些專門解決方案有的要求用戶具有一定的技術知識，有的要求應用程序開發人員或 Internet 網關提供商進行專門的開發工作，也有的則對二者都要求。

雖然 NAT 穿越可以解決一些 NAT 問題，但它不是萬能藥，不能解決所有問題。盡管如此,在提高用戶滿意度、減少用戶支持呼叫的次數和支持新的、具有創造性的服務和應用程序方面，這種自動化的 NAT 穿越代表了非常重要的一步，尤其對于家庭網絡環境而言。

NAT 穿越應視為一種在需要時使用的處理機制，而非在所有情況下都發揮作用。在 IPv6 中，每個客戶機都具有可全局路由的 IP 地址，因此已不再需要 NAT 及 NAT 穿越。就 IPv6 能在多長時間得到普遍部署這一問題，有各種不同的預測。在業界，包括 Microsoft ，已投入巨資推進 IPv6，但在現在及未來的幾年內，本文后面所述的 NAT 穿越解決方案對于希望解決 NAT 問題的一般用戶和小型企業用戶而言卻意義非凡。

NAT 穿越操作

“NAT 穿越”依賴于作為通用即插即用 (UPnP) 論壇規范組成部分的發現和控制協議。UPnP 論壇有一個工作委員會主要負責定義 Internet 網關設備的控制協議并定義這些設備的服務。

支持 Internet 網關設備控制協議基本元素的 Internet 網關設備可向局域網上的控制點聲明自己的存在并發布 XML 描述文檔。利用這些 XML 描述文檔，控制點就能了解用于確定 Internet 網關是否支持 NAT、獲取 NAT 的外部 IP 地址及創建端口映射時需要調用的 UPnP 操作。

Windows 中的“NAT 穿越 API”對直接使用 UPnP 的要求進行了提煉，可提供用于檢測、管理和配置 NAT 設備的接口。

NAT 穿越 API

當網絡應用程序需要檢測是否存在 NAT 設備并調整該設備的行為時，該應用程序可以使用 Windows 中提供的“NAT 穿越 API”(完整記錄在 Platform SDK 中) 來實現下列功能：

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判斷 NAT 是否存在

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獲取 NAT 的外部 IP 地址。

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獲取特定外部端口的靜態端口映射信息 (如果已映射)。

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添加靜態端口映射 (除非已分配外部端口)。

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啟用或禁用特定的端口映射而不刪除

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編輯靜態端口映射的界面友好描述

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刪除靜態端口映射

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獲取局域網靜態端口映射的列表。

利用這些功能，應用程序可以解決許多因 NAT 而導致的問題。請注意：Windows NAT 穿越 API 目前僅在有限的時間內支持端口映射，否則將稱為靜態端口映射。

Windows XP 中的 NAT 穿越 API

默認情況下，Windows XP 中將安裝 NAT 穿越 API。這些 API 也可安裝在運行 Windows Me 和 Windows 98 的計算機中，方法是使用 Windows XP CD 上一個名為“網絡安裝向導”的工具。為提供附加 XML 解析器支持，“NAT 穿越 API”還要求安裝 Internet Explorer 6.0。

Windows 2000 目前不支持“NAT 穿越”。

Internet 網關中支持 NAT 穿越

Internet 網關對 NAT 穿越的支持是通過支持 “通用即插即用論壇” 所定義的 Internet 網關設備 (IGD) 規范而實現的。網關制造商還應注意到：Windows 中的 NAT 穿越 API 對 IGD 進行下列假定：

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IGD 每次僅聲明一個外部接口。盡管在技術上允許 Internet 網關設備聲明多個外部接口，但“NAT 穿越 API”卻只使用第一個。

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IGD 支持允許任何遠程 IP 地址將數據包發送給內部客戶機的端口映射。

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IGD 支持具有廣播地址 (列為客戶機) 的端口映射

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IGD 支持 NAT 外部端口數與客戶機內部端口數不同。

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IGD 將聲明版本號 1。

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靜態端口映射 (或稱持續時間設置為無限的端口映射) 將無限期存在。即使是重新啟動系統、更改 IP 地址或是服務器上存在客戶機，都無法去除靜態端口映射。

本文寫作的過程中，幾個業界領先的制造商已經宣布在 2001 年提供支持這些 UPnP 方法并且能與 Windows NAT 穿越 API 協同使用的 Internet 網關設備。對于業界和用戶而言，這都是向前邁進的有意義的一步。

隨著越來越多的 Internet 網關設備提供商認識到使用 UPnP 解決上述問題所具有的優勢，隨著更多一般用戶和小型企業用戶開始意識到與 NAT 有關的問題及這些支持 UPnP 的 NAT 穿越解決方案的強大功能，為 NAT 穿越提供 UPnP 支持有望成為此類設備的必備功能或入市前提。

Internet 網關制造商應加入 UPnP 論壇，了解如何使自己的 Internet 網關設備符合 UPnP 標準。

應說明的是：Windows XP 上的“Internet 連接共享”支持 UPnP IGD 標準 0.9 版。預計版本 1.0 將與版本 0.9 兼容。

應用程序怎樣使用 NAT 穿越

應用程序使用“NAT 穿越”的方式與多個因素有關，包括端口映射期望的生存期及端口是否用于多個客戶機或服務。應用程序應清除自己創建的所有靜態端口映射，以避免出現孤立映射及端口被其他應用程序占盡的情況。

如果應用程序是一種網絡服務 (例如 Web 服務器)，并在生存期內要求使用已知端口，它的安裝程序就可以使用 “NAT 穿越 API” 來配置一個靜態端口映射。假定其他應用程序、網絡管理員、網絡拓撲結構都維持原狀，而清除機制也保持映射不變，則外部客戶機就能在服務生存期內連接該服務。應用程序卸載服務負責刪除這個映射。如果出現崩潰，即使服務已不存在，靜態端口映射也仍將存在。如果外部 IP 地址發生變化，則靜態端口映射將自動獲取更改的內容。

如果應用程序并不始終運行，或者對網絡維護其靜態端口映射的信任度降低，它就可以在每次啟動時保留某個已知端口，并在每次關閉時恢復資源。這一點可通過運行某個并行腳本來實現。作為添加和刪除端口映射的替代方案，可以讓應用程序根據需要啟用和禁用映射。應用程序還可以始終保留靜態端口映射，且只在每次啟用時刷新映射。

同樣，如果外部 IP 地址發生變化，則靜態端口映射將自動獲取更改的內容。

如果專用網絡上不同客戶機的多個應用程序使用同一內部端口號，應用程序就會要求進行修改，以支持多個客戶機的運行。只有單個客戶機能使用外部端口映射的內部端口號。此處建議讓第一個客戶機使用。其他客戶機應請求內部端口數不同于外部端口數的非對稱端口映射。

有一種特殊的情況：多個客戶機可監聽同一外部端口，而唯一的目的是被遠程主機發現。輸入數據包可以轉換為使用內部客戶機 IP 地址的廣播地址，而非特定的客戶機地址。監聽該端口的客戶機可通過啟動自己與遠程主機之間的連接而予以回復。建議不要普遍使用這種方案，因為到該地址的輸入數據包將被網絡上的所有客戶機接收，并會反過來對它們造成影響。

如果服務需要短期監聽某個隨機端口，它應在應用程序中請求一個靜態端口映射，而非使用腳本。服務結束時，應予以清除 (刪除映射)。應用程序應保留一份自己特有端口映射的記錄。這樣，如果應用程序在崩潰時沒有關閉映射，就可以在下一次啟動時檢索出清除端口映射所需的必要信息。

如果應用程序離開網絡時沒有清除其端口映射，則該映射就會保留下來，而清除任務就落在用戶的身上。目前 Windows 中尚沒有清除機制，這是因為很難判斷應用程序不再使用映射的時間。

NAT 穿越的局限

盡管“NAT 穿越”可以解決與通過 NAT 設備進行連接時有關的多種問題，但還有“NAT 穿越”無法解決的問題及由其引起的問題。這些問題包括：

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NAT 穿越使用開放式信任模式。這意味著專用網絡上的所有應用程序都能訪問 NAT 上的所有端口映射。盡管這樣可以增加一些管理方面的靈活性，但應用程序也就失去了對其映射的唯一占有權。

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應用程序將負責解決沖突。如果應用程序嘗試映射某個已映射給其他客戶機的端口，它就應負責查找另一個端口或改寫應用程序。

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NAT 穿越無法解決在 ISP 分發專用地址和使用 NAT 進行客戶機連接方面的問題。這種情況下，NAT 位于 Internet 網關設備的外面，實際上位于服務提供商網絡的內部。如果客戶機網絡上的 NAT 位于另一個同類 NAT 的后面，家庭或小型企業中的 NAT 穿越就會出現故障。因此，建議 Internet 服務提供商不要在自己的網絡內部署 NAT。

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應用程序獲取 NAT 穿越時并非毫無代價。它們必須同時進行修改以調用 API，或者隨帶腳本以提供解決方案。這對于大多數開發人員而言仍在可控制的范圍內，尤其是考慮到將這些 NAT 穿越機制并入應用程序后，應用程序就能自動與多種 Internet 網關設備協同使用。

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使用完端口映射后，應用程序負責清除工作。靜態映射會無限期存在，最好用于打算在整個應用程序生存期內監聽知名端口的服務。

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提供 NAT 的 Internet 網關必須支持通用即插即用 Internet 網關設備規范 (至少為版本 0.9)。

結論

NAT 是得到 IETF 認可的解決方案，針對的是 IPv4 名稱空間耗用問題。使用 NAT 的 Internet 網關經常用于家庭和小型企業。之所以使用它們，是因為它們價格便宜，易于管理，無需用戶安裝特殊的軟件。

使用 NAT 的不足在于會破壞許多聊天、多人游戲和對等應用程序。這是因為它們的網絡協議對網絡體系結構所做的假定已不成立。

“NAT 穿越”為應用程序提供了一條查找 NAT 設備、發現可全局路由的共享 IP 地址并配置靜態端口映射以解決某些連接問題的途徑。NAT 穿越解決方案無法解決與 NAT 有關的所有問題，但可以緩解部分問題。

本文的主要結論是：

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Internet 網關設備制造商應在自己的設備中支持 UPnP，從而支持“NAT 穿越”。

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網絡應用程序開發人員應使用 Windows NAT 穿越 API 來檢測 NAT 的存在，并在必要時允許其應用程序經過 NAT。

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用戶應使用支持 UPnP 和“NAT 穿越”的 Internet 網關設備，以確保最佳的應用程序性能。

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DSL 和電纜調制解調器的服務提供商應指定、銷售和租賃為 NAT 穿越提供 UPnP 支持的 Internet 網關設備。

在 IPv6 最終消除 NAT 之前，某些形式的 NAT 穿越仍會繼續存在。