1 連接過程 - 握手

傳統的 C/S 架構下，Client 和 Server 通常會建立一條抽象的 Connection，用來進行兩端的通信。
UE 的官方文檔中提供了 Client 連接到 Server 的示例，簡單來說分爲如下幾步：

打包構建好 Client 和 Server 進程
啓動 Server 進程，啓動參數爲 ./Binaries/Win64/<PROJECT_NAME>Server.exe -log
啓動 Client 進程，啓動參數爲 ./Binaries/Win64/<PROJECT_NAME>Client.exe 127.0.0.1:7777 -WINDOWED -ResX=800 -ResY=450

默認情況下，專用服務器在 localhost Ip 地址（ 127.0.0.1 ）的端口 7777 處監聽。可以添加命令行參數 -port=<PORT_NUMBER> ，更改專用服務器的端口。如果要更改服務器正在使用的端口，則還需要更改將客戶端連接到服務器時的端口。

1.1 啓動 Server

Client 連接到 Server 的前提是 Server 啓動完畢，監聽完畢端口，準備好接收連接了。UE 中監聽的核心接口如下：

bool UWorld::Listen( FURL& InURL );

其接口核心參數爲一個 FURL ，UE 中會根據啓動參數和配置等構建一個 FURL，其結構如下 (只展示部分變量)：

//URL structure.  
USTRUCT()  
struct  FURL  
{  
   // Optional hostname, i.e. "204.157.115.40" or "unreal.epicgames.com", blank if local.  
   UPROPERTY()  
   FString Host;  
   // Optional host port.  
   UPROPERTY()  
   int32 Port;  
   // Map name, i.e. "SkyCity", default is "Entry".  
   UPROPERTY()  
   FString Map;  
   // Options.  
   UPROPERTY()  
   TArray<FString> Op;  
}

可以看到裏面有關鍵的 Host 和 Port 等信息。
Listen 接口具體做了什麼呢？

通過 UEngine:: CreateNamedNetDriver 創建 NetDriver，主要驅動網絡同步
UNetDriver::InitListen 解析 FURL，監聽端口
網絡相關的流程在這裏開始就交付給了 UNetDriver，顯然它是一個比較重要的網絡管理類，這裏簡單看下其結構

可以看到主要負責：

Server 端初始化監聽端口
初始化連接
管理 UNetConnection，UNetConnection 顯然就是抽象出來的連接
- 這裏有 ServerConnection 和 ClientConnections，當擁有 ServerConnection 時表示當前是 Client 端，擁有 ClientConnection 時表示當前時 Server 端

同時其派生了不同的類，如：

UDemoNetDriver：用來支持遊戲錄像和回放（類似守望先鋒的擊殺回放）
UWebSocketNetDriver：用於實現 WebSocket 協議的網絡通信。WebSocket 是一種基於 TCP 的網絡協議，允許在客戶端和服務器之間進行雙向通信，可以實現實時通信和數據傳輸。通過使用 UWebSocketNetDriver，可以在 UE4中使用 WebSocket 協議進行網絡通信
UIpNetDriver：用於實現基於 IP（Internet Protocol）的網絡通信
Server 端完整的綁定端口監聽的流程大致如下：

可以看到其實和普通的 C++ 創建 TCP C/S 連接類似，最終都是創建一個 Socket 並且 Bind 到指定端口。

1.2 Client 初始化

客戶端啓動之後，也是類似的流程，創建 NetDriver 驅動網絡相關的流程，對比 Server，其多了一個 UPendingNetGame 的對象。UPendingNetGame 類是一個用於處理網絡遊戲連接過程的類。它在客戶端嘗試連接到服務器時創建，並在連接成功或失敗後銷燬。

關於 UPendingNetGame

用處：
UPendingNetGame 主要負責處理客戶端與服務器之間的連接流程。主要功能包括：
a. 處理連接請求：客戶端向服務器發起連接請求時，UPendingNetGame 負責處理這個請求，包括創建套接字連接、發送握手請求等。
b. 加載關卡：在連接過程中，若服務器需要客戶端加載一個關卡，UPendingNetGame 負責處理這個請求，包括加載關卡資源、同步關卡狀態等。
c. 狀態同步：在連接過程中，UPendingNetGame 負責與服務器進行狀態同步，包括玩家數據、遊戲規則等。
d. 錯誤處理：若連接過程中出現錯誤，如超時、被拒絕等，UPendingNetGame 負責處理這些錯誤，通知用戶並做出相應處理

創建與銷燬：
a. 創建：當客戶端嘗試連接到服務器時，會創建一個 UPendingNetGame 實例。
b. 銷燬：當客戶端成功連接到服務器並完成狀態同步後，UPendingNetGame 完成其任務並被銷燬。如果連接過程中出現錯誤，如超時、被拒絕等, UPendingNetGame 也會在處理完錯誤後被銷燬

Client 的初始化流程大致如下：

UEngine::Browse 解析 FURL
UPendingNetGame::InitNetDriver 初始化網絡驅動
UIpNetDriver::InitConnect 初始化連接
- 創建 UIpNetConnection
- UIpNetConnection::InitLocalConnection 初始化連接信息
調用 Connection 的 Handler 的 BeginHandshaking 發握手包
其大致執行堆棧如下：

1.3 Server 收包

Server 端上 PacketHandler 處理的數據包的結構如下：

/**  
 * Represents a view of a received packet, which may be modified to update Data it points to and Data size, as a packet is processed.
 * Should only be stored as a local variable within functions that handle received packets. 
 **/
 struct FReceivedPacketView  
{  
   /** View of packet data, with Num() representing BytesRead - can reassign to point elsewhere, but don't use to modify packet data */  
   TArrayView<const uint8>       Data;  
   /** Receive address for the packet */  
   TSharedPtr<FInternetAddr>  Address;  
   /** Error if receiving a packet failed */  
   ESocketErrors           Error;  
};

1.3.1 收包流程

Server 監聽完端口之後就要處理客戶端發過來的連接請求，由於是 UDPSocket，所以只需要簡單的 Bind + RecvFrom 就能接收數據了。其主流程主要由 NetDriver 的 TickDispatch 驅動，如下：

UIpNetDriver::TickDispatch
FPacketIterator (UIpNetDriver*) ++，UE 實現了一個 Iterator 遍歷消費 Socket 的 Packet
UIpNetDriver::AdvanceCurrentPacket
FPacketIterator::ReceiveSinglePacket 迭代器收包
- UIpNetDriver 中檢查 SocketReceiveThreadRunnable 如果存在這個線程（默認情況下應該是沒開的，這個時候就相當於這個線程的邏輯在 GameThread 跑了），從 SocketReceiveThreadRunnable->ReceiveQueue 這個 Packet 隊列彈出，這裏主要是區分用 GameThread 還是用 SocketReceiveThread 來取包。
  - FReceiveThreadRunnable::Run 本身是生產者，可以將 ReceiveQueue 理解爲一個數據中間件，IpNetDriver 的 TickDispatch 則是消費者，一直消費 ReceiveQueue 的數據
  - ReceiveQueue 在 SocketReceiveThreadRunnable 線程中一直使用 FSocket::RecvFrom（抽象接口，大部分情況下都是爲 FSocketBSD::RecvFrom）接收數據，其底層實現就是使用 recvfrom 這個操作系統接口

SocketReceiveThreadRunnable 默認是沒有打開的，官方說明如下：
// If the cvar is set and the socket subsystem supports it, create the receive thread.
CVarNetIpNetDriverUseReceiveThread.GetValueOnAnyThread() != 0 && SocketSubsystem->IsSocketWaitSupported()

1.3.2 處理客戶端連接

首先 Server 需要檢查這個 Packet 是否已經有連接了，這裏引出一個問題，Server 端是如何管理和查詢 Connection 的？主要是通過解析 Packet 的 Address，在 UNetDriver 中查詢緩存地址映射關係。

// 聲明
class UNetDriver {
	TMap<TSharedRef<const FInternetAddr>, UNetConnection*, FDefaultSetAllocator, FInternetAddrConstKeyMapFuncs<UNetConnection*>> MappedClientConnections;
}
// 使用
const TSharedRef<const FInternetAddr> FromAddr = ReceivedPacket.Address.ToSharedRef();
UNetConnection** Result = MappedClientConnections.Find(FromAddr);

接下來是處理 Packet

TickDispatch 正常消費到 Packet 之後，要確定 Packet 該丟給哪一層
由於未建立連接，下一層交由 UIpNetDriver::ProcessConnectionlessPacket
- PacketHandler::IncomingConnectionless 校驗 Packet 正確性
  - PacketHandler::Incoming_Internal
    - 遍歷 HandlerComponent 對包進行處理
    - StatelessConnectHandlerComponent::IncomingConnectionless 處理無連接的 Packet
      - StatelessConnectHandlerComponent::ParseHandshakePacket 檢查是否爲握手包，根據 Packet 時間戳確定是否是 bInitialConnect
      - 握手包回一個 Challenge 包 StatelessConnectHandlerComponent::SendConnectChallenge
- StatelessConnectHandlerComponent::HasPassedChallenge 校驗
- 檢查是否是重連，處理重連邏輯
- 創建 UIpConnection
- UIpConnection::InitRemoteConnection 這裏初始化連接，給客戶端發送 NMT_Hello 包，開始正式的握手流程，這裏開始有一個狀態機來驅動連接過程
  - UNetConnection 的 ClientLoginState 初始化爲 EClientLoginState::Type::LoggingIn
- FNetworkNotify::NotifyAcceptedConnection 通知接收連接
- UNetDriver::AddClientConnection 添加 UIpConnection

關於 Challenge
Challenge 消息是 Unreal Engine 4（UE4）中的一種網絡消息，用於在客戶端和服務器之間進行身份驗證。在 UE4 中，客戶端和服務器之間的通信是通過一種稱爲 Unreal Network Protocol（簡稱 UNet）的協議實現的。UNet 通過在客戶端和服務器之間發送各種類型的網絡消息來管理通信。

在 UE4 中，當客戶端第一次連接到服務器時，服務器會向客戶端發送一個 Challenge 消息，其中包含一個隨機生成的 Challenge 令牌。客戶端必須將這個 Challenge 令牌使用預共享密鑰（PSK）進行簽名，並將簽名後的結果發送回服務器。服務器會驗證簽名是否正確，如果正確，則表示客戶端是一個合法的用戶，並將向客戶端發送一個 ChallengeAck 消息，其中包含服務器的簽名和一些其他的驗證信息。客戶端必須驗證 ChallengeAck 消息是否正確，並將消息發送回服務器，以便進行最終的身份驗證。

關於 NMT_Hello
可以看到收到客戶端連接包之後，除了回覆正常的 Ack 包之外，會主動給客戶端發送一個 NMT_Hello 包，這裏的 NMT_Hello 是一個枚舉。UE4 中 NMT 開頭的枚舉是指 NetworkMessageTypes，是 Unreal Engine 4（UE4）中用於管理網絡消息類型的一組枚舉。在 UE4 中，網絡消息是通過一種稱爲 Unreal Network Protocol（簡稱 UNet）的協議進行傳輸和管理的。UNet 通過在客戶端和服務器之間發送各種類型的網絡消息來管理通信。

通過接收不同的 NMT 消息，從而在客戶端服務器連接過程中，不同階段執行不同的操作，比如當前收到這個消息應該加載地圖或者創建 PlayerController。

1.4 握手小結

至此大致梳理完了 Client 和 Server 的握手流程：

創建網絡驅動 UNetDriver
Server 端 Listen
Client 端先創建 UIpConnection 發起連接
Server 端接收連接，回覆 ConnectChallenge 包
Client 收包，回覆 ChallengeResponse 包
Server 回覆 ChallengeAck
握手完畢
其中重點內容主要有：
UNetDriver 是網絡同步核心，用於驅動網絡同步
Client 會有一個 UPendingNetGame 在正式連接前驅動握手過程
Client 會先創建 Connection，Server 收到後才創建對應的 Connection，Connection 用於收發握手過程中的數據包
Server 和 Client 收包底層使用 Connection 的 PacketHandler
握手過程主要利用 PacketHandler 的 HandlerComponent 中的 StatelessConnectHandlerComponent，其負責整個握手過程，此外 PacketHandler 的 HandlerComponent 可以掛載各種組件來支持對數據包的處理，比如 RSA，加密解密等
雙方完整握手的流程如下：

1.5 QA

1.5.1 丟包處理

握手過程中顯然有丟包的可能，在 CS 握手過程中，大致發送的 Packet 如下：

Client 主要發送兩個包，Handshake 和 ChallengeResponse，當 Client 沒有收到迴應時，對應階段在 StatelessConnectHandlerComponent::Tick 都會有一個重發機制。參考代碼如下：

void StatelessConnectHandlerComponent::Tick(float DeltaTime)  
{  
   if (Handler->Mode == Handler::Mode::Client)  
   {  
	   // ... 省略一些代碼
	 if (LastSendTimeDiff > 1.0)  
	 {  
		if (State == Handler::Component::State::UnInitialized)  
		{  
		   NotifyHandshakeBegin();  
		}  
		else if (State == Handler::Component::State::InitializedOnLocal && LastTimestamp != 0.0)  
		{  
		   SendChallengeResponse(LastSecretId, LastTimestamp, LastCookie);  
		}  
	 }  
   }

1.5.2 連接過程用到了哪些關鍵 Class

大致如下：

2 連接過程 - Enter Game

握手完畢後就要準備一些 Gameplay 層的相關操作，比如加載地圖等，Packet 對於應用層還是太底層了，UE 爲此引入了 Bunch 和 Channel 的概念

2.1 Bunch

2.1.1 Bunch 和 Packet 的區別

首先 Bunch 和 Packet 的關係如下：

Bunch：Bunch是UE4中的一個基本網絡數據單位。它可以被看作是一組數據的集合，這些數據代表了某個特定時刻的遊戲狀態變化。Bunch充當了一種中介，將遊戲的狀態信息打包成可以在網絡上發送和接收的格式。它包含了一些關於對象、事件和屬性的信息，以及一些控制網絡通信的元數據。
Packet：Packet是一個更大的網絡數據單位，用於在網絡上實際傳輸數據。一個Packet通常包含多個Bunch，以及其他一些網絡層所需的信息，如包序號、時間戳等。Packet在網絡上發送時，會被分割成更小的數據包，以適應各種網絡環境和傳輸協議。
Bunch和Packet之間的關係是層次性的。Bunch負責打包遊戲狀態的變化，而Packet負責在網絡上傳輸這些Bunch。在數據傳輸過程中，Bunch被組合成Packet，Packet在發送端被編碼爲可以在網絡上傳輸的二進制數據，然後在接收端被解碼還原爲Bunch，以便在遊戲中應用狀態變化。

2.1.2 Bunch 的結構

Bunch 分爲 FInBunch 和 FOutBunch，根據這個名字可以看出分別對應收到的 Bunch 結構和發送的 Bunch 結構，其繼承鏈如下：

FInBunch 的結構如下：

class ENGINE_API FInBunch : public FNetBitReader  
{  
public:  
// 省略一些字段
   int32           PacketId;  // Note this must stay as first member variable in FInBunch for FInBunch(FInBunch, bool) to work  
   FInBunch *       Next;  
   UNetConnection *   Connection;   // 屬於哪個 Connection
   int32           ChIndex;  // channel 的下標
   int32           ChType;   // channel 的類型
   FName           ChName;  // channel 的名稱
   int32           ChSequence;  // Channel 的 Seqid
   uint8           bOpen:1;   // 是否是 Channel 的首包
   uint8           bClose:1;  // 是否是 Channel 的結束包
   uint8           bDormant:1;                // 是否處於休眠
   uint8           bIsReplicationPaused:1;       // 複製同步是否被暫停了
   uint8           bReliable:1;         // 是否爲可靠的 Bunch
   uint8           bPartial:1;                // 該 Bunch 是否被拆分
   uint8           bPartialInitial:1;       // 是不是分片傳輸中的第一個 Bunch
   uint8           bPartialFinal:1;         // 是不是分片傳輸中的最後一個 Bunch
}

FOutBunch 的結構如下：

class ENGINE_API FOutBunch : public FNetBitWriter  
{  
public:  
// 省略一些字段
   FOutBunch *             Next;  
   UChannel *          Channel;  
   double             Time;  
   int32              ChIndex;  
   int32              ChType;  
   FName              ChName;  
   int32              ChSequence;  
   int32              PacketId;  
   uint8              ReceivedAck:1;  // 標記這個數據包是否已經被確認，以避免重複發送
   uint8              bOpen:1;  
   uint8              bClose:1;  
   uint8              bDormant:1;  
   uint8              bReliable:1;  
   uint8              bPartial:1;             // Not a complete bunch  
   uint8              bPartialInitial:1;    // The first bunch of a partial bunch  
   uint8              bPartialFinal:1;         // The final bunch of a partial bunch  
}

Bunch 的信息中，除了一些分包相關的信息，最主要的便是 Channel 相關的信息了，比如這個 Bunch 屬於哪個 Channel？Channel 的類型是什麼？那麼什麼是 Channel ？其用處是什麼？

2.2 Channel 定義

UE 中，Channel 主要分爲三種類型：

ActorChannel：用於在服務器和客戶端之間同步Actor狀態的通道。它負責在網絡上移動、旋轉、縮放等操作，並確保所有客戶端都具有相同的Actor狀態。它還負責同步Actor的變量和屬性。
ControlChannel：一個特殊類型的網絡通道，主要負責處理底層的網絡連接和控制消息。與其他類型的通道（如UActorChannel）主要用於遊戲數據傳輸不同，UControlChannel處理的消息與遊戲邏輯關係較少，主要用於維護網絡連接狀態、通知連接事件以及傳輸核心控制信息。ControlChannel 的一些職責示例如下：

連接建立和斷開：UControlChannel會處理網絡連接建立和斷開的消息。例如，當客戶端與服務器建立連接時，UControlChannel會發送和接收連接請求和響應，以便雙方建立通信。同樣，當連接斷開時，UControlChannel會負責發送斷開通知，通知另一方連接已關閉。

心跳檢測：爲了確保連接保持活躍，UControlChannel會定期發送和接收心跳消息。這些消息用於檢測雙方是否仍在線，以便在一方掉線時及時處理連接斷開事件。

通道管理：UControlChannel負責處理通道的打開和關閉。例如，當需要創建一個新的UActorChannel以傳輸遊戲對象數據時，UControlChannel會發送相應的打開通道請求。同樣，當某個通道不再需要時，UControlChannel會負責發送關閉通道請求。

控制消息：UControlChannel還可以處理其他一些控制消息，如暫停、恢復遊戲等。這些消息通常對遊戲邏輯產生一定影響，但主要用於維護遊戲狀態和連接。

VoiceChannel：主要處理語音數據，比如常見的遊戲中的隊伍聊天

2.3 Channel 的創建

Client ：Client 上 Channel 的創建接口爲 UNetDriver::CreateInitialCilentChannels ，其實就是在 InitNetDriver 的時候就創建好了 Channel
Server ：Server 上 Channel 的創建時機如下：

基本上都是在握手過程中就創建好了 Channel。其關係如下：

2.3 Client 發送 NMT_Hello

Server 端在 InitRemoteConnection 之後，會執行 UNetConnection::SetExpectedClientLoginMsgType(NMT_Hello) ，表示等待 Client 端發送 NMT_Hello 的消息，而 Client 端發送該消息的時機就在握手完畢之後。
Client 端在調用 BeginHandshake 的時候，會傳入一個 Delegates，Handshake 完畢之後會調用 Delegates. Broadcast，通知握手完畢，綁定了該 Delegate 的接口都會被執行，大致如下：

// 握手完畢的回調
void UPendingNetGame::InitNetDriver() {
	// 省略一些代碼
	// 發起握手，傳入握手完畢的回調
	ServerConn->Handler->BeginHandshaking( FPacketHandlerHandshakeComplete::CreateUObject(this, &UPendingNetGame::SendInitialJoin));
}

// SendInit
void UPendingNetGame::SendInitialJoin() {
	// 省略一些代碼
	// 發送 NMT_Hello
	FNetControlMessage<NMT_Hello>::Send(ServerConn, IsLittleEndian, LocalNetworkVersion, EncryptionToken);
}

因此握手完畢後，Client 端就會調用 UPendingNetGame::SendInitialJoin ，發送 NMT_Hello 給 Server 端。
這裏還有個問題，如何確定這個 Message 會發送給 ControlChannel ？實際上這裏由 FNetControlMessage<>::Send 接口處理，其內部實現會直接發送一個 FControlChannelOutBunch，該 Bunch 會直接使用 Channel[0] 初始化，Channel[0] 默認情況下就是 ControlChannel。

2.5 ControlChannel 處理 ControlMessage

2.5.1 Server

Server 端處理 Bunch 的 CallStack 如下：

其大致流程如下：

NetDriver 收到 Packet
NetConnection 拆分 Packet 成多個 Bunch
根據 Bunch.ChIndex 找到對應的 Channel（Channel 緩存在 NetConnection）
Channel 調用 ReceivedBunch (不同的 Channel 會各自重寫該接口)
ControlChannel 收到 Message 後調用 NotifyControlMessage 進行廣播，執行回調，其中 Server 登錄流程相關的最主要的就是 UWorld::NotifyControlMessage 接口

2.5.2 Client

Client 端登錄過程中主要處理 ControlMessage 的接口爲 UPendingNetGame::NotifyControlMessage

2.6 登錄，加載地圖，創建 PlayerController

Server 端收到 NMT_Hello 後，會回覆 NMT_Challenge
Client 收到 NMT_Challenge 後，整合玩家數據 NickName，PlayerId 等，發送 NMT_Login
Server 收到 NMT_Login：
- 設置 Connection 的 PlayerId
- 調用 GameMode::PreLogin，這裏我們也可以定義自己的 PreLogin，來加一些 Token 校驗之類的確定是否讓玩家進入遊戲。
- 返回 NMT_Welcome，同時會設置 LevelName，這樣客戶端就可以知道連接什麼地圖。
Client 收到 NMT_Welcome：
- 設置地圖路徑，在 UPendingNetGame 的 URL 中，UEngine::TickWorldTravel 會一直輪詢 UPendingNetGame 的地圖 URL
- Travel 到目標地圖
- 返回 NMT_NetSpeed 表示成功連接
Server 收到 NMT_NetSpeed，沒有什麼特殊操作，只是簡單設置下 NetSpeed
Client 加載地圖完畢，發送 NMT_Join。UPendingNetGame::LoadMapCompleted -> UPendingNetGame::SendJoin
Server 收到 NMT_Join：
- 如果對應的 Connection 沒有 PlayerController 則創建一個
- 觸發 AGameModeBase::Login
- 如果當前 World 的 Map 是 Transition 的或者在一個錯誤的 World，則也通知 Client 再次進行 Travel
  總體流程圖如下：

3. 總結

個人將 UE 中，Client 和 Server 建立連接到進入遊戲中的過程分爲了 2 步：

建立一個 UDP 連接（其實 UDP 沒有連接的概念），並且在 Server 和 Client 都維護一個 UNetConnection
利用 Control Message 和 Control Channel 進行通信，進入遊戲，執行 GameMode 的登錄，加載地圖，創建 PlayerController 等跟 Gameplay 密切相關的操作

UnrealEngine - 網絡同步之連接篇

1 連接過程 - 握手

1.1 啓動 Server

1.2 Client 初始化

1.3 Server 收包

1.3.1 收包流程

1.3.2 處理客戶端連接

1.4 握手小結

1.5 QA

1.5.1 丟包處理

1.5.2 連接過程用到了哪些關鍵 Class

2 連接過程 - Enter Game

2.1 Bunch

2.1.1 Bunch 和 Packet 的區別

2.1.2 Bunch 的結構

2.2 Channel 定義

2.3 Channel 的創建

2.3 Client 發送 NMT_Hello

2.5 ControlChannel 處理 ControlMessage

2.5.1 Server

2.5.2 Client

2.6 登錄，加載地圖，創建 PlayerController

3. 總結

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