实时音视频技术中的 NAT 穿透方案有哪些

说起实时音视频通信，可能很多人第一反应是"不就是打个视频电话吗"，但实际上，这背后的技术远比想象中复杂。尤其是当你需要让两台在不同网络环境下的设备直接建立连接时，就会遇到一个绕不开的问题——NAT 穿透。

我有个朋友之前创业做社交类 App，第一版产品上线后测试发现，同一个 WiFi 下的用户视频通话正常，但跨运营商（比如电信打移动）就经常连接失败。那会儿他愁得不行，后来才知道问题就出在 NAT 上面。这篇文章就来聊聊，实时音视频领域里到底有哪些 NAT 穿透方案，以及它们各自的优缺点是什么。

先搞懂 NAT 是什么

在深入各种穿透方案之前，我们得先理解 NAT 到底是怎么来的，为什么它会成为实时音视频通信的"拦路虎"。

NAT 的全称是 Network Address Translation（网络地址转换），简单说就是路由器把你的私有 IP 地址转换成公网 IP 地址的技术。当年 IPv4 地址不够用的时候，大家就想出了这个办法——在一个局域网里，所有设备共享一个公网 IP 上网。每个设备在局域网里有个私有地址（比如 192.168.x.x），但对外访问时，路由器会统一把请求的源地址改成自己的公网 IP。

这看起来解决了地址不够用的问题，但对实时音视频来说却很头疼。想象一下，你和朋友各自在家打视频电话，你的手机发送数据包时，路由器会记录下"这个连接是从内网的某个端口出去的"，然后把数据包转发出去。但反过来，朋友的数据包想发给你时，路由器一看，这个数据包不是我自己发起的连接请求，按照安全策略，直接扔掉。

这就是 NAT 造成的"单向通信"问题。你的设备能主动访问别人，但别人没法主动找到你。更麻烦的是，不同的网络环境有不同的 NAT 类型，有些穿透难度大，有些几乎无法穿透。

常见的 NAT 类型

实际部署中，NAT 有好几种类型，每种类型对应的穿透难度完全不同。

NAT 类型	描述	穿透难度
完全锥形 NAT（Full Cone NAT）	一旦内部地址映射到公网地址，任何外部主机都可以通过这个映射发送数据	最容易穿透
受限锥形 NAT（Restricted Cone NAT）	只有之前向其发送过数据的外部主机才能通过映射发送数据	较易穿透
端口受限锥形 NAT（Port-Restricted Cone NAT）	不仅限制主机，还限制端口，必须向该端口发送过数据才行	较难穿透
对称 NAT（Symmetric NAT）	每个不同的外部目标都会生成不同的映射，公网端口不固定	最难穿透

看到这里你应该能理解了，为什么我那个朋友的 App 跨运营商会出问题——不同的运营商网络可能采用了不同类型的 NAT，尤其是对称 NAT，基本没法用常规方法穿透。

主流 NAT 穿透方案解析

STUN 方案：最基础的穿透方法

STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT 会话遍历工具）是最早也是最基础的 NAT 穿透方案。它的原理其实挺巧妙的：你的设备先向一个公网上的 STUN 服务器发送请求，服务器会告诉你"你刚才发请求时，路由器给你分配的外网 IP 和端口是什么"。拿到这个信息后，你就知道自己的"暴露地址"了。

举个实际的例子。假设你的手机在内网的 IP 是 192.168.1.100，路由器给你分配了一个公网 IP 是 123.45.67.89，端口是 10000。当你向 STUN 服务器发送请求时，服务器收到数据包后，会把看到的源 IP 和端口返回给你的手机。这样你就知道了，如果要让别人联系你，应该往 123.45.67.89:10000 这个地址发数据。

但 STUN 也有明显的局限性。它只对前面说的前三种 NAT 类型有效，遇到对称 NAT 就没辙了。而且它需要客户端能够主动访问 STUN 服务器，如果用户在没有公网访问权限的内网环境里，STUN 就帮不上忙。

TURN 方案：可靠但成本高

当 STUN 不管用的时候，就得请出 TURN（Traversal Using Relays around NAT，中继遍历 NAT）方案了。TURN 的原理很简单暴力——既然直接连不上，那就找个中继服务器帮你们转发数据。

具体来说，两个客户端都连接到 TURN 服务器，当他们想通信时，数据不直接在客户端之间流动，而是都先发给 TURN 服务器，再由服务器转发给对方。这种方式的好处是几乎能适应所有 NAT 类型，包括最难对付的对称 NAT。

但缺点也很明显。首先是延迟，你的数据要经过服务器转发，比直连肯定慢；其次是带宽成本，服务器需要承担所有流量，对服务提供商来说是不小的开支；最后是资源消耗，服务器需要维护大量并发连接，压力不小。

所以在实际应用中，TURN 通常是"保底方案"——能直连就用直连，直连不行再走中继。毕竟谁也不想明明两个用户就在隔壁小区，却要让数据绕地球一圈。

ICE 框架：智能组合拳

单独用 STUN 或 TURN 都有明显缺陷，聪明人就想出了一个办法——把它们组合起来用，这就是 ICE（Interactive Connectivity Establishment，交互式连接建立）框架。

ICE 的核心思想是"把所有可用的候选地址列出来，然后按优先级逐个尝试"。具体来说，客户端会收集多种"候选地址"：自己的内网地址、通过 STUN 获得的公网地址、通过 TURN 服务器分配的中继地址。然后把这些地址按连通性和优先级排序，一个一个去尝试，直到找到能成功通信的路径。

这个过程有点像你给朋友打电话，第一个号码没人接，就打第二个，第二个占线就打第三个，直到打通为止。ICE 就是这样一个自动化的"尝试-连接"过程。

在实际部署中，ICE 会结合 STUN 和 TURN 使用。客户端首先尝试用 STUN 获取的直连地址通信，如果失败了，再走 TURN 中继。这种策略既能保证连接成功率，又能在条件允许时提供最优的通话质量。

其他补充方案

除了上面三个主流方案，还有一些补充性的技术手段也经常被用到。

UPnP（通用即插即用）是一个比较被动的方案。如果路由器支持 UPnP，客户端可以请求路由器自动打开端口映射，相当于让路由器"放行"特定的流量。这种方式对用户透明，不需要额外配置，但缺点是依赖路由器支持，很多家庭路由器默认关闭了 UPnP 功能。

端口预测技术主要针对对称 NAT。虽然对称 NAT 会为每个目标生成不同的端口映射，但如果能预测到端口分配的规律，就可以尝试"撞"出正确的端口。不过这种方法的成功率不太稳定，现在用得越来越少了。

还有一类是基于 IPsec、VPN 等协议的穿透方案，它们通过在数据包外层封装新的协议头来实现穿透，通常用在企业级应用场景里，普通消费级 App 很少使用。

技术选型的现实考量

说了这么多技术方案，实际工程中该怎么选择呢？这就要回到业务需求和成本效益的平衡了。

首先要考虑目标用户群体的网络环境。如果主要是企业用户，通常他们使用的企业网络 NAT 类型相对友好，直连成功率比较高。但如果是面向普通消费者的社交、娱乐类应用，用户网络环境五花八门，就必须做好"兜底"准备。

其次是延迟和质量的敏感度。像视频通话这种实时性要求高的场景，肯定希望能直连就直连，只有万不得已才走中继。但如果只是语音消息这种对延迟不那么敏感的场景，中继方案的劣势就没那么明显了。

最后是成本控制。中继服务器的带宽成本是实打实的支出，用户量大了之后，这笔费用相当可观。所以很多服务商会采用"直连优先、智能调度"的策略，只对确实需要中继的用户分配中继资源。

声网在 NAT 穿透方面的实践

作为全球领先的实时音视频云服务商，声网在 NAT 穿透方面积累了大量实战经验。凭借覆盖全球的软件定义实时网（SD-RTN），声网能够智能调度最优的网络路径，结合 STUN、TURN、ICE 等多种穿透技术，确保在不同网络环境下都能建立稳定的音视频连接。

根据公开数据，声网的服务已经覆盖全球超过 60% 的泛娱乐应用，在中国音视频通信赛道持续保持领先地位。这样的市场渗透率背后，是对各种复杂网络环境的深度适配能力。毕竟用户可能在地铁里、地下室、海外数据中心，任何一个网络盲区都可能导致通话中断，只有足够 Robust 的穿透方案才能撑起这种规模的实时互动。

写在最后

NAT 穿透这个问题看似简单，但实际解决起来要考虑的因素非常多。不同的 NAT 类型、不同的网络环境、不同的业务需求，都会影响最终的技术选型。

从技术演进的角度看，NAT 穿透方案从最早的单一协议，发展到今天 ICE 这样的智能框架，核心思路始终是"尽可能直连，不能直连就中继"。未来随着 IPv6 的普及，NAT 的问题可能会逐渐缓解，但短期内，开发者仍然需要扎实掌握这些穿透技术，才能做出体验良好的实时音视频产品。

如果你正在开发类似的应用，建议先评估目标用户群体的网络环境，然后选择合适的穿透方案组合。技术选型没有绝对的好坏，只有适不适合。