了解多人游戏下的客户端与服务器体系结构

2023-08-22 06:04 由小能日记发表于 #软件设计

直连

直连模式下，选择一个玩家充当服务器（房主）。如果游戏出现不同步，那么均按房主的世界来，玩家1可以作弊修改其游戏来影响其他玩家的世界

针对两个玩家来说，直连连接质量更好，延迟小

如果玩家数量很多，不同玩家间的通信则需要靠房主为中介，那通信质量与房主主机配置、网络情况有很大关系

专用服务器

所有玩家与专用服务器通信，专用服务器通常运行没有游戏界面的游戏代码的修改版本，因此可以在配置较低的计算机上运行，还可以检测作弊，服务器维护的游戏世界是最权威的

① 客户端和服务器

客户端全听服务器的

游戏状态由服务器单独管理，客户端只把操作（按键，指令）发送给服务端，服务器定期更新游戏状态，将新的状态发送给客户端，客户端只需要在屏幕上渲染即可

可以预防大范围作弊

玩家本地修改生命值为99999，服务器那依旧是10，玩家依旧会收到死亡事件消息
玩家本地修改位置，服务器处理玩家向右移动一个单位，玩家位置被同步修复

应用举例：慢节奏游戏，如策略或卡牌

延迟问题

网络数据传输要经过大量路由器，还可能遇到网络拥塞情况，远距离传输延迟可能会很高（100~500ms）

玩家发送一个向右移动一格指令，花费了100ms传到服务器，服务器处理状态，再花费100ms将状态传给玩家

在玩家看来，按下了右键后有0.2秒的时间游戏没有任何反应，然后角色才向右移动一格，这是能明显感知到的卡顿，严重时无法玩家无法进行游戏

② 客户端预测和服务器对账

客户端预测

大部分玩家的输入都是按预期效果执行的。 输入 = 操作 = 行为 = 动作 = 鼠标点击移动，键盘按下释放等

如果给定游戏状态和输入操作，客户端能完全预测游戏世界的变化（跟服务器一样的处理），且只有唯一一种结果（绝对性）

我们可以将输入操作发送给服务端，先不等服务端返回，在客户端立即生效预测的结果，这种方式消除了输入操作和状态变化之间的延迟，而且客户端预测的结果大多是正确的，能跟服务器返回的结果相匹配。

假设有100ms的网络延迟（往返），移动位置的动画需要100ms，整个操作需要200ms，这是方案①导致的结果

使用方案②后，客户端检测到输入预测玩家位置并更新，动画播放和网络请求同步进行，原来的200ms现在只需要100ms。服务器返回的结果与客户端预测的结果一致。注：服务器依旧是权威的，维护着所有玩家真实的状态

同步问题

假设有250ms的网络延迟，玩家按了两次右键，向右移动两次，客户端立即模拟，间隔地向服务器发送两次"向右移动"操作

两次移动均完成后过50ms才收到服务器传来的第一次“向右移动”操作的结果，此时出现状态冲突

由于服务器权威性，客户端根据“真实的状态”重新设置了角色位置（角色居然跳回去了），然后又跳回来

服务器对账

对账：会计先做个手工表，每算一会把系统算的表拿出来核对，如果不对就纠正手工表，然后接着算

要修复同步问题需要知道服务器可能没有处理完客户端的所有输入，客户端的状态是现在时，而服务器传来的状态是过去某一时刻的，两者有一定的时间差

可以为客户端的每个输入添加一个数字标记，按照输入的顺序递增这个标记。客户端发送的两个输入分别被标记了#1、#2，且保存了各自的副本。下面的例子演示了一个客户端和一个服务端的网络交互

服务器每发来一个真实状态，客户端就重新模拟一次：当t=250ms，客户端接收到服务器对#1输入的结果时，客户端丢弃#1输入的副本，并在#1的结果上根据#2副本重新计算当前游戏状态。计算后与当前状态对比，如果有差异则重新设置

当t=350ms，客户端接收到服务器对#2输入的结果时，丢弃#2输入的副本，此时因为输入副本队列为空，不需要重新模拟。只需要将结果与当前状态对比，如果有差异则重新设置

应用：在回合制战斗中，玩家A攻击另一个角色B时，可以优先显示血液效果和造成伤害的数字，但不应该在服务器返回结果前更新角色健康状态（不是绝对的，可能有多种结果，如这一击是否把角色B打断了腿，或者是角色B使用医疗包的事件比攻击早）

不容易逆转：如果A可以预测并更新健康状态、角色B打医疗包的事件又在A攻击之前，此时A客户端还没有受到角色B健康状态的更新，A客户端预测B生命值降至0，触发角色死亡事件（可能销毁了这个实体），而实际上角色还在服务器那活得好好的，那还原前一步就十分复杂了

即客户端预测的结果与服务器预测的结果不匹配问题，在多个客户端情况下经常发生

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③ 实体插值（平滑插值）

服务器时间步长

考虑方案②，当大量客户端接入一个服务器时，服务器将收到大量的操作（按键、鼠标）输入，每接收一个输入就要更新当前世界并广播游戏状态，需要消耗大量的CPU和带宽

最好的办法是整个游戏世界以低频率周期性地更新，例如每秒10次，每次更新延迟为100ms，称为时间步长

把接收到的输入全部放入队列中，不做处理（个人认为接收到输入直接处理也行）。每100ms，处理队列，将更新后的状态广播给每个客户端

在这种情况下，游戏世界以可预测的速率独立于客户端输入的存在、输入数量进行更新

航位推算

航位推算是通过使用先前确定的位置或定位，并结合对速度、航向（或方向或航向）和经过时间的估计，来计算移动物体的当前位置的过程。

多人模式下，在实体方向和速度都会立即改变的情况下，航位推算的结果是不准确的。比如多人赛车，服务器每100ms将其他车辆的位置、速度、方向状态传递给客户端，客户端仅能根据这些信息来模拟赛车运动100ms，最后模拟得到的位置跟服务器下一次发来的位置有较大的差别，位置纠正，汽车瞬移。

详细的说（省略了对账过程）：

有玩家A（0，0）跟玩家B（0，0），服务器C
C告诉A：B正在往左移动，速度100m/s，位置是（0,0）
C告诉B：A现在没移动，位置是（0,0）
50ms后中B开始（往右移动，速度瞬间变成1000m/s）；这两个事件被加入了C的队列
又过了50ms，到现在 t = 100ms
B在A上渲染的位置（-10，0）
B自己渲染的位置（-5+50，0）
C处理队列，将状态发送给A跟B
C告诉A：B正在往右移动，速度1000m/s，位置是（45,0）
C告诉B：A现在没移动，位置是（0,0）
A发现服务器给的B位置与自己预测的位置有出路
A修复B的位置，B被瞬移了

玩家自身跟服务器通信是不会出现这种问题的，因为玩家操作的实体是实时的，没有延迟；其他玩家不是实时的，同步数据都是服务器给的，即其他实体相关信息的一种稀疏性

实体插值

由于玩家的方向和速度都会立即改变，航位推算无法应用。如FPS，玩家通常以非常高的速度奔跑、蹲比和转弯，这使得航位推算毫无用处，因为无法再根据之前的状态准确地预测位置和速度。

为了给玩家带来连续性和流畅移动的错觉，采用一种巧妙的做法

每个玩家本身是现在时，而其他玩家都是过去式：玩家自己是实时的，而看到的其他玩家都是他们过去某一时刻的状态。

将服务器最新发来的状态记P1,前一个时间步长的状态记P2（旧状态）客户端在本地，那接下来一个时间步长内整个世界状态将线性从P2变为P1

也就是说，你比其他所有人都快了一个时间步长，其他人比你都慢一拍

下图很好解释了线性插值，v=(11.75,10)意味着客户端2在收到P1后已经过了75ms（时间步长100ms，线性插值的步长也是100ms），当时间过了100ms，客户端2的世界状态将完全变为P1，此时可能已经有了新的P1或者还没收到P1，我们可以根据网络延迟动态修改线性插值的步长

目前的功能

客户端在本地发送输入并模拟效果
服务器从所有客户端获取带有时间戳的输入
服务器处理输入并更新世界状态
服务器向所有客户端发送服务器世界状态的快照
客户端接收服务器发来的世界状态更新
- 根据这个状态与没被服务器处理的输入重新模拟
- 对其他实体状态进行线性插值

④ 延迟补偿

对时间和空间敏感的事件来说，比如射击事件，当玩家向另一名玩家射击时，由于其他玩家都是过去的玩家，所以你的瞄准延迟为100毫秒，你在对100毫秒延迟之前的敌人射击。

通用解决方法 服务器根据射击事件的时间戳，重建该时间戳时的世界状态，可以准确地知道你开枪的那一刻准星瞄准的实体

但由于是过去式，在敌人看来，100ms之后可能已经移动到掩体之后，却依旧被爆头了，不过这个解决方案已经很不错了

⑤ 帧同步

帧同步

该部分还没讲全，未来某天补上代码

状态同步讲完，接下来讲主流同步方式的另外一种：帧同步。通常用于实时战略和FPS

帧同步通过同步玩家的动作，确保每个人都能获得相同的输入，并在每一帧上执行相同的逻辑，最终获得一致的性能和结果

相同的输入 + 相同的时序 = 相同的输出

如何确保同一时间点

等待所有玩家加载完成，由于加载完成后还会有一系列初始化操作，可以播个开场动画，做到所有玩家都在同一时间点开始游戏

同步设备时间

客户端访问服务器，服务器返回一个ping值，乘以2加上服务器返回的时间就是准确的当前服务器时间。游戏期间后续同步中根据较小的ping值修改时间

同步种子

游戏里经常会使用随机数，同步随机数种子可以保证各个客户端模拟的一致性

命令同步

服务器每帧收集所有玩家操作，然后将其广播给所有玩家，没有玩家操作就广播一个空指令，向前推动游戏帧

核心逻辑-命令队列

命令队列的设计可以轻松实现战斗回放。创建两种侦听器，分别是本地模式和网络模式

本地模式下侦听玩家的操作并将操作填充到队列中
网络模式下侦听玩家的操作并发送给服务器，同时监视服务器发来的数据并将操作填充到队列中

核心逻辑-游戏主循环识别

帧同步需要我们严格控制整个游戏的执行顺序，通常情况下，不能直接使用引擎更新，需要把一切掌握在自己手中。首先需要控制的是帧速率

以特定的帧率来运行游戏，如每秒60帧
跟踪帧进度并控制，如果当前设备帧索引落后过多，加快它的帧率

对象的更新应当是按特定顺序执行的，需要进行排序

网络延迟

添加帧缓冲区和前滚动画，用UDP取代底层TCP如KCP

由于TCP超时重传机制。没有收到一帧的数据包时，游戏的逻辑无法正常执行，直到数据包被重新发送

或者直接帧锁定，直到有数据来，以超快的帧率同步

不用帧锁定，客户端请求服务器状态副本，实现回滚跟重试然后恢复

重新连接

如果是一个小的重新连接，只丢失了几帧数据，会用这几帧的数据进行补充。如果是一个大型重新连接，服务器序列化的数据此时将缓存5秒。如果在这段时间内重复断开连接并重新连接，服务器将重用这些缓存的数据。

优点

使用帧同步可以节省消息量，状态同步需要服务器对每个客户端发送大量状态信息（大量实体，每个实体各自维护大量字段），帧同步只需要发送操作指令和帧索引

由于消息量得到了节省，在网络情况不佳的情况下，也能实现实时战斗游戏的同步问题

我们可以轻松实现回放，服务器记录所有操作，客户端请求回放文件执行每一帧

参考资料

Client-Server Game Architecture - Gabriel Gambetta

Networking (part 2) · GitBook (rvagamejams.com)

Game server synchronization of large amounts of data in a battle (monstar-lab.com)

Tutorial: Technical Implementation Details of Frame Synchronization in Games

ENet

ENet是LOVE使用的一个第三方网络库，采用UDP协议，在运输层帮我们完成了各种事情，包括消息确认

带心跳检测功能，当有一方不回复超过5~30秒时则认为其disconnect