多人联机之研究

时间：2022-09-18 16:55:08

原文链接

.　　虽说多人联机技术已经存在很多年，众多上古游戏就已经支持多人联机，但随着业务复杂度提高，多人联机仍然有许多挖掘空间。从业很多年，参与的项目清一色都是状态同步，相比帧同步，状态同步在同步这件事上并没有多少技术难点，因为实现简单，适用场景众多，很多游戏会采用状态同步，但它并非全能，曾经的MMORPG游戏几乎全是状态同步，因受限于状态同步对于高频率交互实在无能为力，所以只能在游戏设计上彻底放弃了高频率交互。但是行业在发展，玩家的期望值在提升，高频率交互这道坎始终是要迈过去，所以帧同步这项比状态同步更古老的技术近年出现越来越频繁。

帧同步

.　　所谓帧同步，通俗解释就是，严格要求所有客户端每一帧都是同步的（这里的帧指的是逻辑帧而非渲染帧），如何保证这一点呢，原理并不复杂，只要每一帧的输入是一样的，处理过程是一样的，那么结果必然也是一样的。再具体一点，客户端的输入发送到服务端，服务端标记该输入属于哪一帧，随后转发给所有客户端，客户端拿到输入后用同样的逻辑执行，从而得到一样的结果，这就是一帧的处理过程，然后一直重复这一过程。

总结一下，帧同步就是每一帧，输入一致，执行一致，结果一致，不停重复。

浓缩一下，帧同步就是输入一致，执行一致，结果一致。

这看起来非常简单，尝试一下逐个击破。

  • 输入一致

.　　输入是客户端产生的，所有客户端都发送到同一个服务端，服务端维持了一个帧列表，里面记录了每一帧都有哪些输入，然后按需转发给所有客户端，客户端收到的帧数据一致，所以输入也都是一致的。

  • 执行一致

.　　所有客户端都是同一份代码，同样的逻辑，所以执行必然都是一致的。

  • 结果一致

.　　前两项都一致，那么结果是否能一致呢？就好比，输入是【1，1】，处理过程是【加法】，那么【1+1=2】必然成立么，根据常识来看，这必然成立，在计算机中这也必然成立，但是！（“但是”不负众望出现了）如果把【1，1】换成【1.0，1.0】，就变成了【1.0+1.0=2.0】，这在计算机中不一定成立，因为计算机中整数和浮点数的存储方式不一样，计算方式也不一样，浮点数计算是有误差的，误差多少取决于你的CPU，甚至同一个CPU，计算浮点数时也可能有误差，这表面看只是一个【1+1=2】的问题，实际上是个大隐患，误差会像雪球一样越滚越大，从而导致帧同步的结果一团乱。

如何保证结果一致

.　　没有完美的方案可以解决这个问题，要为每一个游戏专门定制，才能达到最优效率。

.　　例如《王者荣耀》，它的互动频率很高，作为一个竞技游戏，需要客户端严格同步，如何正确帧同步呢？因为浮点数计算精度误差，但整数计算没有精度误差，完全可以把所有的计算都换成整数，把所有浮点数小数点往右挪4位，【1.2345】变成【12345】这不就把问题解决了么？从表现上看，《王者荣耀》的计算逻辑并不会太复杂（其实也有点复杂，只是相对而言），它的计算都在同一个平面，不涉及3D计算，需要计算的内容大致是角色移动，技能命中，涉及到的几何形状大概是直线，圆形，矩形，简单多边形（可能没有），这些几何计算完全可以自己实现，把计算用到的数字全换成整数，从而结果不一致的问题就解决了。

.　　上述的解决办法只限于所有的计算过程都由自己掌控的前提下，假设计算过程更复杂，那就不得不使用现成的几何计算库，物理引擎等等外部工具，幸好这种问题早就有人遇到并提供了基于整数计算的物理引擎，或者使用一些开源物理引擎自行换掉浮点数计算的部分。看起来问题已经有完美答案了，但其实不是，设想一下，从此以后数学中只有整数没有小数，这是不是特别扯淡，因为小数是数学不可缺少的一部分，你能用整数取代一部分，但不能完全取代，对物理引擎来说，全部采用整数计算很不科学，性能还会下降，主流物理引擎全部都是浮点数计算，如果坚持采用整数计算，这意味着要放弃所有主流物理引擎，这条道虽然可行，但槽点多多，我觉得这是一条邪道，不归路。

.　　现在又陷入了死局，似乎帧同步遇上复杂的数学计算就等于行不通，这就意味着高频率互动的多人游戏没法有复杂的数学计算，但市面上确确实实存在这样的游戏而且非常多，所以其中必然还是有解决方案的，这个方案就是回滚机制，由服务端派发正确的结果，客户端检测到与本地不一致时触发回滚，这样就可以彻底解决结果不一致问题。如何实现回滚机制，这套机制说起来短短几句话，做起来想破脑壳，因为没有一个完美的方案能实现回滚机制，所以针对不同的游戏方案也会有所不同。

.　　现在很少有只用帧同步的了，通常都是帧同步为主，状态同步为辅，方可发挥其强大的威力。

研究成果

.　　多人联机没有完美统一的实现方案，会随业务变化而变化，不同的同步频率，不同的同步人数都会直接影响多人联机的落地方案，现在越来越多游戏使用主帧同步辅状态同步的方案，因为帧同步的计算都在客户端，使得客户端对细节可以完全掌控，这一点很重要。

.　　在研究帧同步的时候，原本计划实现一个简单的帧同步Demo，结果越写越想写更多，最终做了个动作游戏……（有夸张的成分）

以下是Demo演示

  • 基于UDP帧同步
  • 渲染帧率：60
  • 逻辑帧率：30
  • 同步帧率：10

Demo演示-输入延迟

Demo演示-追帧

Demo演示-同步

Demo演示-完整演示

题外话

  • 帧同步的质疑

.　　不止一次听人质疑帧同步流量消耗大，这大概是帧同步的名字让人产生误解，帧同步每一帧同步的只是输入，数据量极小，讲究高频率，低流量。

  • 技能制作

.　　在制作这个Demo的初期，在如何实现技能这个问题上卡壳了很久，arpg游戏比rpg游戏技能表现复杂的多，在rpg游戏中，技能通常是一个动画几个特效，而arpg中，技能远不止如此，它可以复杂到难以想象，经过深思熟虑，我觉得把技能节点化是一个不错的主意，把功能封装到节点中，节点可接收自定义参数，将节点链接起来就是一个技能。我用Mermaid语法描述节点，因为Mermaid本身就是用于描述流程图的语法，这跟节点化不谋而合（节点连接起来就是流程图），其次Mermaid语法简洁能直接嵌入Markdown实时预览流程图。

以下是技能Atk1的描述信息

Mermaid描述

* 方法: Atk1
* 描述: 平A第一刀
```mermaid
graph TD
转化角色 ==>
播放动画 ==>
等待0[等待] ==>
冲刺 ==>
等待1[等待] ==>
同步 ==>
设置筛选参数 ==>
设置攻击参数 ==>
命中特效 ==>
播放特效 ==>
矩形攻击 ==>
等待2[等待]

播放动画_名字[Atk1] --名字--> 播放动画
播放特效_ID[0] --ID--> 播放特效
命中特效_ID[1] --ID--> 命中特效
等待0_时长[0.2f] --时长--> 等待0
等待1_时长[0.3f] --时长--> 等待1
等待2_时长[0.7f] --时长--> 等待2
冲刺_距离[5.0f] --距离--> 冲刺
冲刺_时长[0.3f] --时长--> 冲刺
设置筛选参数_标识[不同阵营 I 攻方不停顿] --标识--> 设置筛选参数
设置筛选参数_范围[0.5f 0.0f 1.0f 2.2f] --范围--> 设置筛选参数
设置攻击参数_硬直[10] --硬直--> 设置攻击参数
设置攻击参数_血量[20] --血量--> 设置攻击参数

Markdown预览

  • 方法: Atk1
  • 描述: 平A第一刀
graph TD 转化角色 ==> 播放动画 ==> 等待0[等待] ==> 冲刺 ==> 等待1[等待] ==> 同步 ==> 设置筛选参数 ==> 设置攻击参数 ==> 命中特效 ==> 播放特效 ==> 矩形攻击 ==> 等待2[等待] 播放动画_名字[Atk1] --名字--> 播放动画 播放特效_ID[0] --ID--> 播放特效 命中特效_ID[1] --ID--> 命中特效 等待0_时长[0.2f] --时长--> 等待0 等待1_时长[0.3f] --时长--> 等待1 等待2_时长[0.7f] --时长--> 等待2 冲刺_距离[5.0f] --距离--> 冲刺 冲刺_时长[0.3f] --时长--> 冲刺 设置筛选参数_标识[不同阵营 I 攻方不停顿] --标识--> 设置筛选参数 设置筛选参数_范围[0.5f 0.0f 1.0f 2.2f] --范围--> 设置筛选参数 设置攻击参数_硬直[10] --硬直--> 设置攻击参数 设置攻击参数_血量[20] --血量--> 设置攻击参数

Runtime生成

public static IEnumerator Atk1(Actor actor, Config.Behavior config)
{
    // 0: 转化角色
    var self = actor as Role;
    var select = self.GetState<Behavior.ParamSelect>();
    var attack = new Behavior.ParamAttack() { SelectParam = select };
    // 1: 播放动画
    Behavior.MetaRoleAnim(self, "Atk1", 0.1f, false);
    // 2: 等待0
    yield return Tools.Time2Frame(0.2f);
    // 3: 冲刺
    Behavior.MetaRoleNextF(self, 5.0f, 0.3f);
    // 4: 等待1
    yield return Tools.Time2Frame(0.3f);
    // 5: 同步
    Behavior.MetaSyncMove(attack);
    // 6: 设置筛选参数
    select.Area = Mathm.Quad.New(0.5f, 0.0f, 1.0f, 2.2f);
    select.Flags = Const.BehaviorFlag.kSelectXor | Const.BehaviorFlag.kStopMotionNotSender;
    // 7: 设置攻击参数
    attack.Attack = 20;
    attack.Stable = 10;
    attack.ForceDuration = 0;
    attack.ForceDistance = 0;
    attack.StopMotionTime = 0.3f;

    // 8: 命中特效
    Behavior.MetaEffectHit(attack, config.ID * 10 + 1);
    // 9: 播放特效
    Behavior.MetaEffect(config.ID * 10 + 0, attack);
    // 10: 矩形攻击
    {
        var __ret__ = Behavior.MetaAttackQuad(attack);
        if (__ret__.HasFlag(Const.MetaAttackResult.kAbort))
        {
            yield break;
        }
        if (__ret__.HasFlag(Const.MetaAttackResult.kStop))
        {
            yield return 1;
        }
    }
    // 11: 等待2
    yield return Tools.Time2Frame(0.7f);
}

Github-地址

Demo下载地址-阿里云盘

再补充一个-空降我最喜欢的一段

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