萬物聯網的困難
我們很習慣地透過網址瀏覽常見的新聞網站，或是從影音平台上觀看最新流行的音樂錄影帶。這中間一連串的過程不外是透過 DNS 伺服器將網址轉換成 IP 地址後再連線至該伺服器。也就是說只要知道一台提供服務的公用伺服器 IP 地址，我們便可以連線至該伺服器取得服務。
隨著網際網路逐漸盛行，全世界連上網路的裝置愈來愈多，伴隨著 IPv4 地址日漸短少，於是在 1990 年代中期，NAT （Network Address Traversal，網路地址轉換）作為解決 IPv4 短缺而保留 IP 地址所產出的解決方案。這種技術是一種在 IP 封包通過路由器或防火牆時重寫來源 IP 地址或目的 IP 地址，普遍用在擁有多台主機，但卻只通過一個公有 IP 地址訪問網路網路的私有網路，該技術大幅降低了對 IPv4 地址的需求，但也產生了另一個問題：NAT 穿透問題。
NAT 穿透問題也就是位於 NAT 內部的私有網路得以透過 NAT 技術訪問外部公有 IP 地址，但外部網路卻無法輕易訪問位於 NAT 內部私有網路的裝置，換句話說，若是手上的任一裝置在 NAT 的另一端時，必須克服 NAT 穿透的問題，方得能連線至該裝置，也就是說要萬物聯網，首先也必須克服 NAT 穿透問題。
NAT 的種類
我們知道 NAT 技術作用在路由器上，用作私、公有地址轉換以及通訊埠（Port）的映射（Mapping），NAT 技術可以分為幾種類型：
- 完全圓錐型（Full cone NAT）
- 受限圓錐型（Address-restricted cone NAT）
- 通訊埠受限圓錐型（Port-restricted cone NAT）
- 對稱型（Symmetric NAT）
完全圓錐型（Full cone NAT）
一個內部 IP 地址（iAddr:Port1）透過 NAT 映射到外部地址（eAddr:Port2）並綁定，所有發自 iAddr:Port1 的封包都經由 eAddr:Port2 向外發送。任意外部主機都能通過 eAddr:Port2 發送封包至 iAddr:Port1，也就是說 NAT 做單純地做了位址轉換，並未對進出的封包做出限制。
以下圖為例，一個 Client 的 IP 地址 （192.168.0.100: 12345 ），透過 NAT 映射到外部地址（203.66.100.210:23456）並綁定，在 Client 中透過 Port 12345 向外發送的封包都藉由 NAT 的 Port 23456 往外發送。任何外部主機如 Server 2可透過 IP 地址（203.66.100.210:23456）發送封包至 Client（192.168.0.100:12345）。
受限圓錐型（Address-restricted cone NAT）
一個內部 IP 地址（iAddr:Port1）透過 NAT 映射到外部地址（eAddr:Port2）並綁定，所有發自 iAddr:Port1 的封包都經由 eAddr:Port2 向外發送，曾經收到來自 eAddr2:Port2 發送封包的任一主機都能通過 eAddr:Port2 發送封包至 iAddr:Port1。換言之，NAT 會記住目的端的 IP 地址，從其他地址進來的封包會被 NAT 阻擋。
以下圖為例，一個 Client 的 IP 地址（192.168.0.100:12345），透過 NAT 映射到外部地址（203.66.100.210:23456），在Client 中透過 Port 12345 向外發送的封包都藉由 NAT 的 Port 23456 往外發送，曾經收到來自 203.66.100.210:23456 發送封包的主機如 Server 1 都能通過 203.66.100.210:23456 發送封包至 Client（192.168.0.100:12345）；由於 203.66.100.210:23456 並沒有發送封包給 Server 2，因此 Server 2 無法透過 203.66.100.210:23456 發送封包給 Client。
通訊埠受限圓錐型（Port-restricted cone NAT）
類似於受限圓錐型 NAT（Address-restricted cone NAT），但多了通訊埠的限制，也就是說 NAT 會記住目的端的 IP 地址及通訊埠，只有該目的端的 IP 地址及通訊埠才能傳送封包給發送端。
以下圖為例，Client 透過 NAT 將封包發送 Server 1 的 Port 10000，在 Port-restricted cone NAT 的環境下，只有 Server 1 的 Port 10000 能夠透過 203.66.100.210:23456 發送封包給 Client（192.168.0.100:12345）。
對稱型（Symmetric NAT）
與前三項 NAT 類型皆不同，對稱型 NAT 在同一內部地址與通訊埠到一個特定目的地址與通訊埠，都會在 NAT 映射一個獨特的外部地址及通訊埠，在 NAT 內一個內部地址（IP_ADDR:PORT）如發往不同目的地，都會對應到不同的外部地址（IP_ADDR:PORT）。也就是說，只有曾收到過內部主機封包的外部主機，才能發回封包。
以下圖為例，Client 向 Server 1發送封包，會在 Symmetric NAT 中映射一個地址 203.66.100.210:23456，Server 1 可透過 203.66.100.210:23456 傳送封包至 Client 的內部地址 192.168.0.100:12345。另 Client 向 Server 3 的 Port 34567傳送封包，因為 Symmetric NAT 的特性，會在 Symmetric NAT 中映射一個新的地址 203.66.100.210:24567，Server 3 可利用 Port 34567 透過 203.66.100.210:23456 向 Client 192.168.0.100:13456 發送封包，而 Server 3 無法利用另一個通訊埠（如 Port 39876）向 Client 發送封包。最後，Server 2 因為從未接收到 Client 傳來的封包，因此無法發送封包給Client。
連線至另一端
一個透過 NAT 連線上網的裝置，會因為 NAT 加上的限制，而無法再與另一端位於 NAT 內部的裝置建立連線，於是 NAT 穿透（NAT Traversal）便成為萬物聯網要克服的重要課題之一。發展至今，穿透 NAT 的技術方法主要仍基於幾個概念：
- 位於 NAT 內部的裝置，向一個位於公有 IP 地址的伺服器發出請求，請其告知裝置本身的公有 IP 地址及通訊埠。
- 位於 NAT 內部的裝置，向一個位於公有 IP 地址的伺服器發出請求，請其協助與欲連線的對端裝置建立連線，或請協助傳遞封包。
目前基於上述概念已發展出幾種常用的幾種 NAT 穿透方法：
- UPnP (Universal Plug and Play)
- STUN (Simple Traversal of UDP Through Network Address Translators)
- TURN (Traversal Using Relay NAT)
- ALG (Application Layer Gateway)
- ICE (Interactive Connectivity Establishment)