游戏网络同步学习

0. 学习路径

  1. 网络编程基础：
    • 学习基本的网络通信概念，了解TCP/IP和UDP协议。
    • 学习Socket编程，掌握套接字的使用和网络通信的基本原理。
    • 了解网络模型和常见的网络通信模式。
  2. 游戏网络同步基础：
    • 了解游戏网络同步的基本原理，包括客户端-服务器架构和点对点架构。
    • 熟悉帧同步和状态同步的概念。
  3. 游戏引擎和框架：
    • 学习一些流行的游戏引擎，如Unity或Unreal Engine。
    • 掌握该引擎的网络模块和相关API。
  4. 多线程编程：
    • 了解多线程编程的基本概念，学习如何使用线程来处理并发任务。
    • 学习线程同步和互斥机制，以确保线程安全。
  5. 同步算法：
    • 学习关于游戏同步的算法，如时间插值、状态插值、预测性同步等。
    • 了解如何处理网络延迟和抖动。
  6. 网络优化：
    • 学习网络优化技术，减少带宽占用和延迟。
    • 了解并实践压缩和流量控制等技术。
  7. 实际项目经验：
    • 参与小型游戏项目，实践所学知识。
    • 阅读开源游戏项目的源代码，了解实际应用。

1. 网络编程基础

1.1 网络协议

1.2 TCP传输控制协议

  • 特点：
    • 提供可靠的数据传输，确保数据完整无误地到达。
    • 有序传输数据包，维护数据顺序。
    • 自动处理数据包重传和丢失问题。
  • 适用场景：
    • 当游戏需要可靠的数据传输时，例如在一些需要高度数据一致性的策略游戏或回合制游戏中。
    • 客户端-服务器架构中，尤其是涉及到重要游戏状态和玩家数据的时候，经常使用TCP。

1.3 UDP用户数据报协议

  • 特点：
    • 提供快速的数据传输，但不保证数据包的可靠到达。
    • 不保证数据包的顺序。
    • 无连接，减少数据传输的延迟。
  • 适用场景：
    • 当游戏需要快速响应和实时更新时，例如在射击游戏或竞速游戏中。
    • 在点对点架构中，尤其是对实时性要求较高的游戏，UDP经常被使用。

1.4 结合TCP和UDP

有些游戏可能会同时使用TCP和UDP，根据不同的需求选择不同的协议。例如，使用TCP来处理登录、聊天和交易等需要高可靠性的数据传输，而使用UDP来处理实时的游戏状态更新。

1.5 其它协议

除了TCP和UDP，还存在其他一些网络通信协议，但在游戏开发中，TCP和UDP是最常用的。

以下是一些其他协议的简要介绍：

  1. HTTP/HTTPS：
    • 超文本传输协议（HTTP）和其安全版本（HTTPS）通常用于在Web浏览器和服务器之间传输数据。
    • 虽然HTTP不适用于实时性要求高的游戏，但在一些需要通过Web进行访问的游戏和应用中可能会使用。
  2. QUIC（Quick UDP Internet Connections）：
    • QUIC是一个基于UDP的传输协议，旨在提供更快的连接建立和更低的延迟。
    • 由Google推出，适用于一些对延迟敏感的应用，但在游戏领域的应用尚不如TCP和UDP广泛。
  3. SCTP（Stream Control Transmission Protocol）：
    • SCTP是一个支持可靠和不可靠传输的协议，同时具有多流和多宿主的特性。
    • SCTP被设计为提供比TCP更好的性能，并提供更好的消息边界控制。
  4. RUDP（Reliable UDP）：
    • RUDP是对UDP的扩展，通过在应用层实现可靠性，使UDP具备了类似于TCP的可靠传输特性，但不同于TCP的有序传输。
    • 一些游戏开发者选择在UDP基础上实现自定义的可靠性，以避免TCP的一些缺点，如拥塞控制导致的延迟增加。

1.4 Socket

Socket（套接字）在严格意义上是一种编程接口（API），用于在网络中实现进程间的通信。
它可以被看作是一种在应用层和传输层之间的接口，使得程序可以通过网络发送和接收数据。
Socket并不是协议，而是一个用于进行网络编程的抽象接口。

在具体实现中，Socket可以使用不同的传输协议，最常见的是TCP和UDP。
通过使用Socket API，开发者可以创建套接字并使用它来建立网络连接、发送和接收数据。

在网络同步中，Socket扮演着关键的角色，特别是在实现客户端-服务器模型时。以下是Socket在网络同步中的一些关键作用：

  1. 建立连接： Socket用于建立客户端与服务器之间的连接。客户端和服务器分别创建套接字，然后通过Socket建立连接。
  2. 数据传输： 通过Socket，程序可以使用不同的方法（如send和recv）发送和接收数据。这是网络同步中实现信息交换的关键。
  3. 实时通信： 在实时多人游戏中，Socket负责实现玩家之间的实时通信。通过套接字，游戏客户端可以向服务器发送玩家的输入，服务器可以将更新的游戏状态广播给所有连接的客户端。
  4. 协议选择： Socket API允许开发者选择不同的传输协议，如TCP或UDP，根据游戏的需求来确定数据传输的可靠性和效率。

总的来说，Socket是一个在网络编程中用于实现通信的工具库（或者说是编程接口），它在网络同步中扮演着连接、数据传输和实时通信等关键角色。通过使用Socket，开发者可以在应用层进行网络编程，实现不同设备之间的数据交换。

2. 游戏网络同步基础

2.1 网络同步架构

2.1.1 客户端-服务端架构

原理

游戏客户端和服务器之间存在中央服务器，负责处理游戏逻辑和同步状态。
客户端发送输入信息到服务器，服务器处理并更新游戏状态，然后将新的状态广播给所有连接的客户端。
客户端只负责输入处理和本地预测，而真正的游戏状态由服务器维护。
服务器是唯一的权威来源，决定游戏中的事件和状态变化。
通信通常使用可靠的传输协议（如TCP）以确保数据完整性。

优缺点

优点：

  • 中央服务器可以处理作弊和安全性问题，因为它有权力验证和修正客户端的输入。
  • 适用于大型多人在线游戏，可以管理数以千计的玩家。

缺点：

  • 服务器压力大，可能成为性能瓶颈。
  • 有较高的延迟，因为所有操作都需要经过服务器。

适用场景

大型多人在线游戏，需要中央权威来确保游戏状态的一致性和防止作弊。

案例游戏

  • 《魔兽世界》（World of Warcraft）：
    作为一款经典的大型多人在线角色扮演游戏（MMORPG），《魔兽世界》使用客户端-服务器架构来处理大量玩家的交互和游戏状态更新。
  • 《反恐精英：全球攻势》（Counter-Strike: Global Offensive）：
    这是一款流行的第一人称射击游戏，使用客户端-服务器模型来保证游戏的公平性和同步。
  • 《英雄联盟》（League of Legends）：
    这款广受欢迎的多人在线战术竞技游戏也采用客户端-服务器架构，服务器负责处理游戏逻辑和同步玩家状态。

2.1.2 点对点架构

原理

每个玩家都有一个独立的客户端，彼此直接通信。
每个客户端处理自身的输入和状态更新，并将这些信息发送给其他玩家。
没有中央服务器，玩家直接交换信息，共同维护游戏状态。
每个客户端对自身状态的变化有权威性。
通信通常使用UDP

优缺点

优点：

  • 低延迟，因为信息直接从一个客户端传递到另一个客户端。
  • 适用于小型游戏，不需要庞大的服务器支持。

缺点：

  • 难以处理作弊，因为每个客户端都有权更改自己的状态。
  • 对于大型多人在线游戏可能会导致网络流量激增。

适合的场景

小型游戏，例如局域网游戏或小团队合作游戏，不需要中央服务器来维护所有玩家的状态。

案例游戏

  • 《星际争霸》（StarCraft）：
    早期的《星际争霸》在局域网游戏中主要使用点对点通信模型，每个客户端直接与其他客户端通信。
  • 《FIFA》系列（局域网模式）：
    体育游戏如《FIFA》系列在其局域网对战模式中，通常使用点对点架构来实现玩家之间的连接。

2.1.3 混合型架构

客户端-服务器与点对点相结合，以兼顾两者的优点。

案例游戏

  • 《命令与征服》系列：
    某些版本的《命令与征服》使用了混合型架构，结合了客户端-服务器和点对点的优势，使得游戏既可以在局域网中高效运行，又可以通过服务器进行更广泛的匹配和竞赛。
  • 《GTA在线》（Grand Theft Auto Online）：
    这款游戏在某些方面使用了类似于客户端-服务器的架构，但在其他方面，如玩家间的直接交互，则采用了点对点通信。

2.2 同步方式

在实际游戏开发中，有时也会采用帧同步和状态同步的混合策略，以平衡实时性和效率。

2.2.1 帧同步 Frame Synchronization

概念：
在帧同步中，游戏被划分为一系列帧，每一帧都表示一个瞬间的游戏状态。
所有玩家在每一帧中发送他们的输入到服务器，服务器进行处理，然后将更新的游戏状态广播给所有玩家。
所有客户端根据接收到的状态更新来渲染下一帧。

工作原理：

  1. 输入收集： 每个客户端在每一帧中记录玩家的输入，例如键盘按键、鼠标移动等。
  2. 输入发送： 客户端将输入信息发送到服务器。
  3. 状态更新： 服务器根据接收到的所有玩家的输入，计算并更新游戏状态。
  4. 状态广播： 服务器将新的游戏状态广播给所有连接的客户端。
  5. 状态接收和渲染： 客户端接收新状态并使用它来渲染下一帧。

优点：

  • 玩家在同一帧中看到相同的游戏状态，保持了实时性。
  • 对于快节奏的游戏，帧同步能提供更好的玩家体验。

缺点：

  • 需要较高的带宽和处理能力，尤其是在大规模多人在线游戏中。
  • 对网络延迟和不稳定性敏感，可能导致不同玩家看到不同的游戏状态。

适用于：

  • 快节奏的实时多人游戏，如射击游戏、格斗游戏等。
  • 要求玩家在同一时刻看到相同状态的场景。

应用场景和游戏案例：

  1. 实时射击游戏：
    应用场景： 快节奏的射击游戏，玩家需要在同一时刻看到相同的敌人和环境状态。
    游戏案例： 如《Counter-Strike: Global Offensive》、《Overwatch》等。
  2. 格斗游戏：
    应用场景： 玩家进行实时对战，需要确保所有玩家看到相同的动作和攻击效果。
    游戏案例： 如《街头霸王》、《超级马里奥派对》等。
  3. 赛车游戏：
    应用场景： 在多人赛车比赛中，所有玩家需要在同一时刻看到相同的赛道和对手位置。
    游戏案例： 如《尘埃3》、《极品飞车》系列等。

2.2.2 状态同步 State Synchronization

概念：

  • 在状态同步中，服务器维护整个游戏世界的状态，而不是每一帧的状态。
  • 客户端定期向服务器请求当前的游戏状态，然后使用接收到的状态更新本地渲染。
  • 不同的客户端在不同的时间可能看到不同的状态，因为他们在不同的时刻请求了状态。

工作原理：

  1. 定期状态请求： 客户端定期向服务器请求当前的游戏状态。
  2. 状态发送： 服务器响应请求，将当前游戏状态发送给客户端。
  3. 状态接收和渲染： 客户端接收到新状态并使用它来更新本地渲染。

优点：

  • 相对较低的带宽需求，因为不需要每一帧都广播完整的游戏状态。
  • 对于网络延迟和不稳定性的容忍度较高。

缺点：

  • 状态同步引入了较大的延迟，因为客户端只能在定期请求状态时才能看到更新。
  • 可能导致不同客户端之间的状态差异，影响玩家之间的互动。

适用于：

  • 较为宽松的同步要求，例如策略游戏、角色扮演游戏等。
  • 对带宽和延迟有较为严格的限制。

应用场景和游戏案例：

  1. 策略游戏：
    应用场景： 缓慢节奏、强调战略和决策的游戏类型，可以容忍一些同步延迟。
    游戏案例： 如《星际争霸》、《文明 VI》等。
  2. 角色扮演游戏（RPG）：
    应用场景： 单人或小型多人团队合作，玩家更注重故事和角色发展。
    游戏案例： 如《巫师 3：狂猎》、《上古卷轴 V：天际》等。
  3. 虚拟世界游戏：
    应用场景： 大型多人在线游戏，强调玩家自由探索和社交互动。
    游戏案例： 如《魔兽世界》、《黑色沙漠》等。

2.2.3 混合同步（Hybrid Synchronization）

  • 概念： 结合了多种同步技术，根据游戏的不同部分和需求选择不同的同步策略。
  • 适用场景： 复杂的多人游戏，其中不同游戏元素和互动可能需要不同的同步方法。
  • 优点： 灵活，可以针对不同游戏场景和需求优化。
  • 缺点： 实现复杂，需要精细调整和测试。

3. 游戏引擎网络模块

3.1 Unity官方

UNET（Unity Networking）

UNET是Unity的早期网络模块，旨在简化多人游戏的开发。然而，在Unity 2019.1版本后，Unity宣布停止对UNET的维护，将重心转向新一代的Networking。

UNET的主要特点和组件包括：

  • NetworkManager： 用于管理多人游戏的主要组件，处理连接、断开、玩家管理等。
  • NetworkIdentity： 标识具有网络同步行为的对象。
  • NetworkBehaviour： 通过继承该类，可以在脚本中实现网络同步的行为。
  • SyncVar： 用于标记在客户端和服务器之间同步的变量。
  • RPC（Remote Procedure Call）： 用于在客户端和服务器之间调用函数。

UNET的主要缺点在于其设计相对复杂，可能会在大型项目中引起性能问题，并且在Unity版本升级后停止了官方维护。

Networking（Multiplayer HLAPI）：

新一代的Networking模块是对UNET的改进和替代，它在Unity 2019.1版本后成为官方推荐的网络解决方案。它通过简化API、提高性能和引入新的概念来改进网络开发体验。

Networking的主要特点和组件包括：

  • NetworkManager： 与UNET中的NetworkManager类似，用于管理多人游戏的主要组件。
  • NetworkIdentity： 标识具有网络同步行为的对象。
  • NetworkBehaviour： 通过继承该类，可以在脚本中实现网络同步的行为。
  • SyncVar： 仍然用于标记在客户端和服务器之间同步的变量。
  • Command 和 ClientRpc： 取代了UNET中的RPC，用于在客户端和服务器之间调用函数。
  • Spawnable Prefabs： 管理在不同客户端之间同步生成和销毁的物体。
  • NetworkTransform： 管理物体的位置和旋转同步。
  • NetworkAnimator： 用于同步动画状态。

新一代的Networking模块在性能和易用性上有所提升，因此在选择网络模块时，推荐使用Unity的Networking。具体选择取决于项目需求、Unity版本以及个人或团队的熟悉程度。

3.2 社区框架

Mirror 是一个基于 Unity 的开源网络框架，专门用于简化和增强多人游戏的开发。它是从 Unity 的 Networking 模块中分离出来的独立项目，旨在提供更好的性能、更简单的 API 和更好的可维护性。

4. 多线程

5. 同步算法

6. 网络优化

6.1 预测与回滚 Prediction and Rollback

2. 锁步（Lockstep）机制：

  • 概念： 在锁步机制中，所有的客户端必须在进入下一帧之前达成当前帧的一致状态。这通常通过交换和确认每个玩家的输入来实现。
  • 适用场景： 需要严格一致性的策略游戏和回合制游戏。
  • 优点： 确保了游戏状态的完全一致性。
  • 缺点： 对网络延迟非常敏感，可能导致游戏进度放慢。

4. 区域同步（Area of Interest Synchronization）：

  • 概念： 只同步玩家当前所在区域或感兴趣区域的状态，而非整个游戏世界。

  • 适用场景： 大型多人在线游戏（MMORPGs）和广阔的开放世界游戏。

  • 优点： 减少了需要同步的数据量，提高了效率，特别是在大型游戏世界中。

  • 缺点： 需要复杂的管理逻辑来处理玩家移动和不同区域之间的交互。

7. 项目实战