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从王者荣耀聊聊游戏的帧同步

通过王者荣耀,我们来聊一聊帧MOBA游戏的技术实现以及同步方式

作者:佚名来源:wier的博客|2017-07-10 14:20

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农药自从上线以来,依靠着强大的产品力以及腾讯的运营能力,在游戏市场上表现可谓是风生水起,根据第三方的调研数据显示,《王者荣耀》渗透率达到22.3%,用户规模达到2.01亿人,每日的日活跃用户(DAU)均值为5412.8万人。 如此可观的数据,令人十分钦佩。

当然了,作为技术人,更愿意从技术上了解去一些王者荣耀的实现原理和架构方式,从中找到新的知识领域,扩展自己的知识边界,丰富自己的专业技能。借助这个游戏,这一篇我们来聊一聊王者荣耀的技术实现以及同步方式,更多的从MOBA(多人在线战术竞争游戏)方向来解析推理王者的实现方案,如若有分析的不尽的方向,欢迎一起探讨改进。以下是主要讲解的几个重点:

  1. 服务器架构
  2. 通信方式
  3. 同步方案
  4. 技能同步
  5. 断线重连

一、服务器架构

不难发现,王者荣耀的服务器采用房间模式,每个玩家登陆以后,然后进入大厅,进行匹配游戏。匹配完成之后,把一起对战的玩家放到一个房间内进行对战。

房间类玩法和MMORPG有很大的不同,在于其在线广播单元的不确定性和广播数量很小,而且需要匹配一台房间服务器让少数人进入一个服务器。

这一类游戏最重要的是其“游戏大厅”的承载量,每个“游戏房间”受逻辑所限,需要维持和广播的玩家数据是有限的,但是“游戏大厅”需要维持相当高的在线用户数,所以一般来说,这种游戏还是需要做“分服”的。而“游戏大厅”里面最有挑战性的任务,就是“自动匹配”玩家进入一个“游戏房间”,这需要对所有在线玩家做搜索和过滤,以及为了更好的体验,会对玩家进行分地区进行匹配,以方便获得更快速的同步。

一般的方式是玩家先登录“大厅服务器”,然后选择组队游戏的功能,服务器会通知参与的所有游戏客户端,新开一条连接到房间服务器上,这样所有参与的用户就能在房间服务器里进行游戏交互了。

二、通信方式

说到通信方式,一般会有http和socket 两种方式,但http底层也是采用socket,只是每次通信完成以后都会断开,这种方式对于需要频繁交互的双方来说,显得效率太低了,所以一般实时要求高的游戏都是采用socket方式来通信。

可是sokect通信,又分为两种:TCP vs UDP,具体是采用那种socket类型,需要具体来看游戏游戏类型。以下是两种类型的优劣:

从上面的对比中,我们可以会发现,关于socket,我们想做的事情,tcp都帮我们做了,我们只需要建立链接,然后像读写文件一样读写就可以了。而udp需要我们自己设计一切。看到这一切,你可能第一感觉就是采用tcp而非udp,那么真实情况是如此么?基于游戏的业务以及场景不同,我可以明确的告诉你,王者荣耀是采用udp的,包括腾讯多数长链接手游都是采用udp,这是为何?

1、tcp保证数据可靠性是有代价的

tcp能够保证数据包的可靠性和有序,这一切都帮你封装好了。TCP发送一个数据包,等待一段时间,直到检测到数据包丢失了,如果没有接收到它的ACK,接下来就重新发送丢失的数据包到目标计算机。重复的数据包将被丢弃在接收端,乱序的数据包将被重新排序。以此来保证数据包的可靠性和有序性。

但为了保证可靠和有序,就要保证TCP无论什么情况,只要数据包出错,就必须等待数据包的重发。这是什么意思呐,就是说,即使最新的数据已经到达,但还是不能访问这些数据包,新到的数据会被放在一个队列中,需要等待丢失的包重新发过来之后,所有数据没有丢失才可以访问。

如此,如果遇到网络环境太差或者不稳定,比如说国内的移动网络,或者是遭遇到了网络阻塞,出现一个数据包丢失,所有事情都需要停下来等待这个数据包重发。客户端会出现等待接收数据,玩家操作会出现卡顿以及响应不及时的现象。

2、udp的可靠性—DIY手动组装

从上面我们可以知道udp主要在可靠性上主要是不能保证数据包的顺序,比如第100个收到的数据包并不一定是第100个发出的数据包,同时也无法保证不丢包,期间有一个包丢失,udp本是也不会去校检。如果这两个问题解决了,udp的大部分可靠性问题也就解决了。

具体的方案我们这一篇就不在细说,大体上是如此来解决:

1、为每个数据包增加序列号,每发一次包,增加本地序号。

2、每个数据包增加一段位域,用来容纳多个确认符。确认字符多少个,跟进应用的发包速率来觉得,速率越高,确认字符的数量也相应越多。

3、每次收到包,把收到的包上序列号变为确认字符,发送包的时候带上这些确认字符。

4、如果从确认字符里面发现某个数据包有丢失,把它留给应用程序来编写一个包含丢失数据的新的数据包,必要的话,这个包还会用一个新的序列号发送。

5、针对多次收到同一包的时候可以放弃它

三、同步方案

游戏中常见的同步方案,有状态同步和帧同步,一般大型的MMOARPG都是采用的是状态同步,比如魔兽世界,状态同步采用C/S架构,所有的状态由服务器来控制,安全性比较高,但是流量比较大。帧同步采用的是囚徒模式,所有c端强制采用一个逻辑帧率,从而保证输出一致,其特点是流量小,安全性比较差。

王者荣耀采用的就是帧同步,那么具体帧同步是什么,如何实现的,我们从两个地方来分解:

1、帧率

什么是帧率,可能没有做过client同学并不是很清楚这个术语,我们从一个小李子来讲解一下。我记得小时候有一种小人书,快速翻看就可以看到漫画上的人物会动起来。如下面这种:

超过1M上传不删了,我也无奈

由于人类眼睛的特殊生理结构,如果所看画面之帧率高于每秒约10-12帧的时候,就会认为是连贯的, 此现象称之为视觉暂留。这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来,然后快速播放的,就像上图快速翻小人书一样。

游戏中的所有动画也是采用这种方式来渲染,只不过帧率是有GPU来控制,你所看到的画面都是有都是有GPU一帧帧渲染的,比如30帧/s,你所看到的画面就比较流畅了。而帧率越高你所看到的越流畅。

2、Lockstep—帧同步

帧同步可以说是通过帧率延伸过来的,你可以把一个游戏看成一个巨大的状态机,所有的参与者都采用同一个逻辑帧率来不断的向前推进。

我们看如下2个图:

图中是A、B、C三个玩家的时间轴,这个时间轴不是电脑上的本地时间,而是A、B、C联机时定义的一个时间轴。虚线分隔出来时间片称为turn,可以理解成一帧。箭头表示该玩家将自己的操作指令广播给其他玩家。

我们把一盘游戏看成一个大型的状态机,因为大家玩的是同一款的游戏,因此F是相同的,初始状态S0也是相同的。在第一个turn结束时,所有玩家都接收到了完全一样的输入I,注意这里的I不是一个值,而是包含了当前游戏中所有玩家的操作指令集合。t1时刻所有玩家的电脑自行计算结果。由于F、S0和I是固定的,所以每个玩家电脑上计算出的下一个状态S1一定是相同的。

所以通过上面我们可以知道:

1、我们把游戏的前进分为一帧帧,这里的帧和游戏的渲染帧率并不是一个,只是借鉴了帧的概念,自定义的帧,我们称为turn。游戏的过程就是每一个turn不断向前推进,每一个玩家的turn推进速度一致。

2、每一帧只有当服务器集齐了所有玩家的操作指令,也就是输入确定了之后,才可以进行计算,进入下一个turn,否则就要等待最慢的玩家。之后再广播给所有的玩家。如此才能保证帧一致。

3、Lockstep的游戏是严格按照turn向前推进的,如果有人延迟比较高,其他玩家必须等待该玩家跟上之后再继续计算,不存在某个玩家领先或落后其他玩家若干个turn的情况。使用Lockstep同步机制的游戏中,每个玩家的延迟都等于延迟最高的那个人。

4、由于大家的turn一致,以及输入固定,所以每一步所有客户端的计算结果都一致的。

我们来看看具体的执行流程:

上图中我们可以明显看到,这种囚徒模式的帧同步,在第二帧的时候,因为玩家1有延迟,而导致第二帧的同步时间发生延迟,从而导致所有玩家都在等待,出现卡顿现象。

四、乐观锁&断线重连

囚徒模式的帧同步,有一个致命的缺陷就是,若联网的玩家有一个网速慢了,势必会影响其他玩家的体验,因为服务器要等待所有输入达到之后再同步到所有的c端。另外如果中途有人掉线了,游戏就会无法继续或者掉线玩家无法重连,因为在严格的帧同步的情况下,中途加入游戏是从技术上来讲是非常困难的。因为你重新进来之后,你的初始状态和大家不一致,而且你的状态信息都是丢失状态的,比如,你的等级,随机种子,角色的属性信息等。 比如玩过早期的冰封王座都知道,一旦掉线基本这局就废了,需要重开,至于为何没有卡顿的现象,因为那时都是解决方案都是采用局域网的方式,所以基本是没有延迟问题的。

后期为了解决这个问题,如今包括王者荣耀,服务器会保存玩家当场游戏的游戏指令以及状态信息,在玩家断线重连的时候,能够恢复到断线前的状态。不过这个还是无法解决帧同步的问题,因为严格的帧同步,是要等到所有玩家都输入之后,再去通知广播client更新,如果A服务器一直没有输入同步过来,大家是要等着的,那么如何解决这个问题?

采用“定时不等待”的乐观方式在每次Interval时钟发生时固定将操作广播给所有用户,不依赖具体每个玩家是否有操作更新。如此帧率的时钟在由服务器控制,当客户端有操作的时候及时的发送服务器,然后服务端每秒钟20-50次向所有客户端发送更新消息。如下图:

上图中,我们看到服务器不会再等到搜集完所有用户输入再进行下一帧,而是按照固定频率来同步玩家的输入信息到每一个c端,如果有玩家网络延迟,服务器的帧步进是不会等待的,比如上图中,在第二帧的时候,玩家A的网速慢,那么他这个时候,会被网速快的玩家给秒了(其他游戏也差不多)。但是网速慢的玩家不会卡到快的玩家,只会感觉自己操作延迟而已。

五、技能同步

游戏中有很多是和概率相关的,比如说技能的伤害有一定概率的暴击伤害或者折光被击等。按照帧同步的话,基于相同的输入,每个玩家的client都是独立计算伤害的,那么如何保证所有电脑的暴击伤害一致那。这个时候就需要用到伪随机了。

大部分编程语言内置库里的随机数都是利用线性同余发生器产生的,如果不指定随机种子(Random Seed),默认以当前系统时间戳作为随机种子。一旦指定了随机种子,那么产生的随机数序列就是确定的。就是说两台电脑采用相同的随机种子,第N次随机的结果是一致的。

所以在游戏开始前,服务器为每个玩家分配一个随机种子,然后同步给client,如此每个client在计算每个角色的技能时候,就能保证伤害是一致的。这也是多数帧同步游戏采用的方案,包括王者荣耀。

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【责任编辑:谢海平 TEL:(010)68476606】

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