从王者荣耀聊聊游戏的帧同步

​这是王者荣耀技术分析系列第二篇，有兴趣请持续关注个人blog和公众号。

一、像《王者荣耀》同样红过

二、从《王者荣耀》来聊聊游戏的帧同步

三、游戏服务器的架构演进

 

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，使人十分钦佩。

固然了，做为技术人，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，扩展本身的知识边界，丰富本身的专业技能。借助这个游戏，这一篇咱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，如如有分析的不尽的方向，欢迎一块儿探讨改进。如下是主要讲解的几个重点:

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

 

1、服务器架构

不难发现，王者荣耀的服务器采用房间模式，每一个玩家登录之后，而后进入大厅，进行匹配游戏。匹配完成以后，把一块儿对战的玩家放到一个房间内进行对战。

房间类玩法和MMORPG有很大的不一样，在于其在线广播单元的不肯定性和广播数量很小，并且须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，每一个“游戏房间”受逻辑所限，须要维持和广播的玩家数据是有限的，可是“游戏大厅”须要维持至关高的在线用户数，因此通常来讲，这种游戏仍是须要作“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”，这须要对全部在线玩家作搜索和过滤，以及为了更好的体验，会对玩家进行分地区进行匹配，以方便得到更快速的同步。

通常的方式是玩家先登陆“大厅服务器”，而后选择组队游戏的功能，服务器会通知参与的全部游戏客户端，新开一条链接到房间服务器上，这样全部参与的用户就能在房间服务器里进行游戏交互了。

 

2、通讯方式

说到通讯方式，通常会有http和socket 两种方式,但http底层也是采用socket,只是每次通讯完成之后都会断开，这种方式对于须要频繁交互的双方来讲，显得效率过低了，因此通常实时要求高的游戏都是采用socket方式来通讯。

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

从上面的对比中，咱们能够会发现，关于socket，咱们想作的事情，tcp都帮咱们作了，咱们只须要创建连接，而后像读写文件同样读写就能够了。而udp须要咱们本身设计一切。看到这一切，你可能第一感受就是采用tcp而非udp，那么真实状况是如此么？基于游戏的业务以及场景不一样，我能够明确的告诉你，王者荣耀是采用udp的，包括腾讯多数长连接手游都是采用udp，这是为什么？

一、tcp保证数据可靠性是有代价的

tcp可以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，若是没有接收到它的ACK，接下来就从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，乱序的数据包将被从新排序。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不管什么状况，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，即便最新的数据已经到达，但仍是不能访问这些数据包，新到的数据会被放在一个队列中，须要等待丢失的包从新发过来以后，全部数据没有丢失才能够访问。

如此，若是遇到网络环境太差或者不稳定，好比说国内的移动网络，或者是遭遇到了网络阻塞，出现一个数据包丢失，全部事情都须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，玩家操做会出现卡顿以及响应不及时的现象。

二、udp的可靠性—DIY手动组装

从上面咱们能够知道udp主要在可靠性上主要是不能保证数据包的顺序，好比第100个收到的数据包并不必定是第100个发出的数据包，同时也没法保证不丢包，期间有一个包丢失，udp本是也不会去校检。若是这两个问题解决了，udp的大部分可靠性问题也就解决了。

具体的方案咱们这一篇就不在细说，大致上是如此来解决:

一、为每一个数据包增长序列号，每发一次包，增长本地序号。

二、每一个数据包增长一段位域，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以为，速率越高，确认字符的数量也相应越多。

三、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。

四、若是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。

五、针对屡次收到同一包的时候能够放弃它

3、同步方案

游戏中常见的同步方案，有状态同步和帧同步，通常大型的MMOARPG都是采用的是状态同步，好比魔兽世界，状态同步采用C/S架构，全部的状态由服务器来控制，安全性比较高，可是流量比较大。帧同步采用的是囚徒模式，全部c端强制采用一个逻辑帧率，从而保证输出一致，其特色是流量小，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，咱们从两个地方来分解：

一、帧率

什么是帧率，可能没有作过client同窗并非很清楚这个术语，咱们从一个小李子来说解一下。我记得小时候有一种小人书，快速翻看就能够看到漫画上的人物会动起来。以下面这种：

超过1M上传不删了，我也无奈

 

因为人类眼睛的特殊生理结构，若是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。这也就是为何电影胶片是一格一格拍摄出来，而后快速播放的，就像上图快速翻小人书同样。

游戏中的全部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，好比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。

二、Lockstep—帧同步

帧同步能够说是经过帧率延伸过来的，你能够把一个游戏当作一个巨大的状态机，全部的参与者都采用同一个逻辑帧率来不断的向前推动。

 

咱们看以下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，能够理解成一帧。箭头表示该玩家将本身的操做指令广播给其余玩家。

咱们把一盘游戏当作一个大型的状态机，由于你们玩的是同一款的游戏，所以F是相同的，初始状态S0也是相同的。在第一个turn结束时，全部玩家都接收到了彻底同样的输入I，注意这里的I不是一个值，而是包含了当前游戏中全部玩家的操做指令集合。t1时刻全部玩家的电脑自行计算结果。因为F、S0和I是固定的，因此每一个玩家电脑上计算出的下一个状态S1必定是相同的。

因此经过上面咱们能够知道：

 

一、咱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非一个，只是借鉴了帧的概念，自定义的帧，咱们称为turn。游戏的过程就是每个turn不断向前推动，每个玩家的turn推动速度一致。

 

二、每一帧只有当服务器集齐了全部玩家的操做指令，也就是输入肯定了以后，才能够进行计算，进入下一个turn，不然就要等待最慢的玩家。以后再广播给全部的玩家。如此才能保证帧一致。

 

三、Lockstep的游戏是严格按照turn向前推动的，若是有人延迟比较高，其余玩家必须等待该玩家跟上以后再继续计算，不存在某个玩家领先或落后其余玩家若干个turn的状况。使用Lockstep同步机制的游戏中，每一个玩家的延迟都等于延迟最高的那我的。

 

四、因为你们的turn一致，以及输入固定，因此每一步全部客户端的计算结果都一致的。

咱们来看看具体的执行流程:

 

上图中咱们能够明显看到，这种囚徒模式的帧同步，在第二帧的时候，由于玩家1有延迟，而致使第二帧的同步时间发生延迟，从而致使全部玩家都在等待，出现卡顿现象。

4、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，势必会影响其余玩家的体验，由于服务器要等待全部输入达到以后再同步到全部的c端。另外若是中途有人掉线了，游戏就会没法继续或者掉线玩家没法重连，由于在严格的帧同步的状况下，中途加入游戏是从技术上来说是很是困难的。由于你从新进来以后，你的初始状态和你们不一致，并且你的状态信息都是丢失状态的，好比，你的等级，随机种子，角色的属性信息等。 好比玩过早期的冰封王座都知道，一旦掉线基本这局就废了，须要重开，至于为什么没有卡顿的现象，由于那时都是解决方案都是采用局域网的方式，因此基本是没有延迟问题的。

后期为了解决这个问题，现在包括王者荣耀，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，可以恢复到断线前的状态。不过这个仍是没法解决帧同步的问题，由于严格的帧同步，是要等到全部玩家都输入以后，再去通知广播client更新，若是A服务器一直没有输入同步过来，你们是要等着的，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做广播给全部用户，不依赖具体每一个玩家是否有操做更新。如此帧率的时钟在由服务器控制，当客户端有操做的时候及时的发送服务器，而后服务端每秒钟20-50次向全部客户端发送更新消息。以下图:

上图中，咱们看到服务器不会再等到搜集完全部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个c端，若是有玩家网络延迟，服务器的帧步进是不会等待的，好比上图中，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（其余游戏也差很少）。可是网速慢的玩家不会卡到快的玩家，只会感受本身操做延迟而已。

5、技能同步

游戏中有不少是和几率相关的，好比说技能的伤害有必定几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，每一个玩家的client都是独立计算伤害的，那么如何保证全部电脑的暴击伤害一致那。这个时候就须要用到伪随机了。

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，若是不指定随机种子（Random Seed），默认以当前系统时间戳做为随机种子。一旦指定了随机种子，那么产生的随机数序列就是肯定的。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。

因此在游戏开始前，服务器为每一个玩家分配一个随机种子，而后同步给client，如此每一个client在计算每一个角色的技能时候，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。

----------------------------------------end-------------------------------------

关注我的成长和游戏研发，致力推进国内游戏社区的成长与进步。

想了解更多有料的游戏技术，请关注个人公众号，原创以及独到。