遊戲通訊技術:幀同步技術

現代多人遊戲中,多個客戶端之間的通訊大多以同步多方狀態爲主要目標,爲了實現這一目標,主要有兩個技術方向:

  • 狀態同步
  • 幀同步

1. 狀態同步

狀態同步簡單來說就是同步遊戲中的各種狀態,當客戶端發送遊戲動作到服務器,服務器接收到之後,通過計算遊戲行爲的結果,然後廣播下發給客戶端遊戲中的各種狀態數據。客戶端接收到狀態數據後顯示內容。這種做法類似於各個客戶端都在遠程操作服務器上的軟件。例如最高的mud,以及日後大量的國產網遊,特別是回合制遊戲,大多采用這種方式。

狀態同步的流程:

  1. 客戶端上傳操作到服務器
  2. 服務器收到後計算遊戲行爲的結果(如技能邏輯、戰鬥計算等)
  3. 服務器以廣播的方式下發遊戲中各種狀態
  4. 客戶端收到狀態後更新本地狀態(如動作狀態、Buff狀態、位置等)

爲了給遊戲玩家更好的體驗,減少同步的數據量,客戶端也會做很多的本地運算,減少服務器同步的頻率以及數據量。

狀態同步其實是一種不嚴謹的同步,它的思想中不同玩家屏幕上的一致性的表現並不是重要指標,只要每次操作的結果相同即可。所以狀態同步對網絡延遲的要求並不高。例如:RPG遊戲中200~300ms的延遲對用戶來說是可以接受的,但在RTS(即時戰略)遊戲中50ms的延遲卻會很受傷。

2. 幀同步

    幀同步是RTS(即時戰略)遊戲經常採用的一種同步技術,狀態同步中數據量會隨着需要同步的單位數量增長,而對於RTS來講動不動就是幾百個單位可以被操作,如果這些都需要同步的話,數據量是不能被接受的,所以幀同步不同步狀態,只同步操作。例如:遊戲中同步玩家的操作指令,操作指令包含當前的幀索引

    簡單來說,客戶端發送遊戲動作到服務器,服務器接收並彙總,然後直接轉發給所有客戶端,或者客戶端直接通過 P2P 技術發送。
    客戶端根據收到的遊戲動作來做運算和顯示。這種做法等於客戶端之間相互遠程控制其他客戶端上的遊戲軟件。早期的 ipx 網絡遊戲,例如紅色警戒、帝國時代、星際爭霸,以及大量支持網絡連線雙打遊戲機模擬機,都是採用這種方式。

那些遊戲需要使用幀同步呢?

  • 多人實時對戰遊戲
  • 遊戲中需要戰鬥回放功能
  • 遊戲中需要加速功能
  • 需要服務器同步邏輯校驗防止作弊

幀同步的流程

  1. 同步隨機種子:遊戲中設計隨機數的使用,通過同步隨機數種子可以保持隨機數的一致性。
  2. 客戶端上傳操作指令給服務器,操作指令包含遊戲操作當前幀索引
  3. 遊戲廣播所有客戶端的操作,如果沒有操作也要廣播空指令來驅動遊戲幀前進。

幀同步

    幀同步主要依賴客戶端的能力,服務器僅僅是做一個轉發,甚至客戶端可以無需服務器,通過 P2P 方式來轉發數據。由於只是轉發遊戲的行爲,所以廣播的數據量比狀態同步要小很多。非常適合遊戲行爲非常頻繁的動作遊戲,諸如飛行射擊、FPS、RTS(即時戰略)。

狀態同步
    狀態同步由於要把整個遊戲的狀態都廣播下去,如果遊戲中的對象特別多,比如滿屏的子彈、怪物,那麼要廣播的數據量就會很大,這個時候幀同步的優勢就比較明顯,因爲不管有多少”機器控制的角色“,僅僅需要廣播玩家角色有關的操作即可。
    反過來,如果遊戲中有大量玩家同時聚集,那麼幀同步狀態同步的差異就不太明顯。反而狀態同步能得到更多安全性,因爲遊戲運算在服務器上,比較容易防止外掛。

    簡單來說,幀同步技術最要的概念是”相同的輸入 + 相同的時機 = 相同的顯示“。也就是說,遊戲接收來自網絡的多個客戶端的操作,如果這些操作在各個客戶端上都是一樣的,那麼多個客戶端的顯示也就是一樣的,進而帶來了”同步“的效果。
    在這種情況下,各個客戶端的運算要絕對一致,不能依賴諸如本地時間、本地隨機等”輸入“,而要一切以網絡來的數據爲主。

幀同步

   因爲幀同步的特性,因此很容易做出戰鬥回放,即服務器記錄所有操作,客戶端請求到操作文件再執行一次。幀同步的特性導致客戶端的邏輯實現和表現實現必須完全分離。

    幀同步的目的在於消除網絡波動性帶給玩家的卡頓以及忽快忽慢的不良體驗。

網絡波動的平滑處理

3. 狀態同步和幀同步的比較和選擇

    對於單位比較多的即時策略遊戲,幀同步是很好的選擇。相反的,如果玩家比較多,狀態同步則更加合適,因爲安全性更高。一般大型MMOARPG(大型多人在線角色扮演類遊戲)都採用狀態同步,由於狀態同步採用C/S架構,所有狀態由服務器來控制,安全性比較高,但流量比較大。幀同步採用的是囚徒模式,所有C端強制採用一個邏輯幀率,從而保證輸出一致,其特點是流量小,安全性較差。

    囚徒模式又叫鎖步模式,就是把所有參與對戰的客戶端看成排成一列的囚犯,這些囚犯們的左腳都被鎖鏈給連起來,如果要往前走,就只能同時邁步,如果其中某個人走快了或走慢了,都回讓整隊人停下來。

狀態同步和幀同步的比較

3. 幀同步的基本原理

    幀同步是一種對同步源進行像素級同步顯示的處理技術,對於網絡上的多個接入者,一個信號將會通過主機同步發送給其他人,並同步顯示在各個終端上。同步信號可以是每幀的像素數據,也可以是影響數據變化的關鍵事件信息。

    幀同步在網絡遊戲應用中的設計有別於傳統的MMORPG遊戲,因爲可以承載大量的後臺計算,實現類單機的效果,所以可以在射擊類、飛行類遊戲中實現彈幕計算或格鬥類的高精度打擊效果。

    什麼叫做幀同步呢?服務器收集客戶端手機發送過來的操作,然後在特定的時間(收集完成之後),再廣播發送給每個客戶端。客戶端根據接收到的輸入,進行同樣的邏輯處理,最終得到同樣的結果的過程。在實現上,一般都是以服務器按固定的幀率,來蒐集每個客戶端的輸入,然後把這些輸入廣播給所有客戶端。由於每個操作指令到達所有客戶端的時間(幀)都是一樣的,所以每個客戶端運算的結果也是一樣的,也就是同樣的輸入就會得到同樣的結果。

這就好像是玩家通過網絡將操作手柄連接到你的手機,這種同步方案是傳統單機局域網遊戲中最常見的。

幀同步

    幀同步模型最大的優點在於強一致性,每個客戶端的表現是完全一樣的,非常適合高度要求操作技巧的遊戲。由於廣播的僅僅是玩家的操作,所以數據量很少。不管遊戲中的角色數量、狀態數量有多大多複雜,都不會影響廣播的數據量。

    幀同步模型最大的缺點是對所有玩家的延遲都有要求,一般來說要求在50毫秒以內,如果有一個客戶端網絡卡住了,所有客戶端都要停下來等待。

    另外在幀同步模式中,數據同步的頻率較高,網絡延遲越小越好。由於TCP的滑動窗口機制和重傳機制,導致延時機制,導致延時無法控制。因此幀同步一般採用UDP進行網絡傳輸,但UDP又會衍生出可靠性問題,對於客戶端,如果某些UDP包沒有收到,就會出現丟幀的情況。

    幀同步技術原理

    客戶端A的操作A1與客戶端B的操作B1,共同封裝成OperateCmd數據發送給PVP服務器,PVP服務器每66毫秒產生一個邏輯禎,在該楨所在時間段內,收到A1和B1後,生成一個Frame數據塊,在該幀時間結束時,將Frame發送給客戶端A和B。Frame數據塊內有該幀的幀號,客戶端A和B接收到Frame數據後,便知道該幀內,客戶端A和客戶端B都做了什麼操作。然後根據接收到的消息A1和B1進行遊戲表現,最終呈現給玩家A和B的結果是一致性的,從而實現客戶端A和B的數據同步。

幀同步

    幀同步既然是在特定時間發送,也就是說每隔一段時間收集用戶操作指令,那麼要間隔多久內。例如每隔一段時間搜索用戶的操作。此時,如果時間太快則網絡速率達不到要求,如果時間太長則用戶操作不流程。哪裏多少才比較合適呢?根據統計玩家至少要在50ms 100ms可以完成一次,一般維持到1520次左右會比較安全。

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