從王者榮耀聊聊游戲的幀同步

這是王者榮耀技術分析系列第二篇，有興趣請持續關注我的blog和公眾號。

1、像《王者榮耀》一樣紅過

2、從《王者榮耀》來聊聊游戲的幀同步

3、游戲服務器的架構演進

農藥自從上線以來，依靠著強大的產品力以及騰訊的運營能力，在游戲市場上表現可謂是風生水起，根據第三方的調研數據顯示，《王者榮耀》滲透率達到22.3%，用戶規模達到2.01億人，每日的日活躍用戶（DAU）均值為5412.8萬人。 如此可觀的數據，令人十分欽佩。

當然了，作為技術人，更愿意從技術上了解去一些王者榮耀的實現原理和架構方式，從中找到新的知識領域，擴展自己的知識邊界，豐富自己的專業技能。借助這個游戲，這一篇我們來聊一聊王者榮耀的技術實現以及同步方式，更多的從MOBA(多人在線戰術競爭游戲)方向來解析推理王者的實現方案，如若有分析的不盡的方向，歡迎一起探討改進。以下是主要講解的幾個重點:

服務器架構

通信方式

同步方案

技能同步

斷線重連

一、服務器架構

不難發現，王者榮耀的服務器采用房間模式，每個玩家登陸以后，然后進入大廳，進行匹配游戲。匹配完成之后，把一起對戰的玩家放到一個房間內進行對戰。

房間類玩法和MMORPG有很大的不同，在于其在線廣播單元的不確定性和廣播數量很小，而且需要匹配一臺房間服務器讓少數人進入一個服務器。

這一類游戲最重要的是其“游戲大廳”的承載量，每個“游戲房間”受邏輯所限，需要維持和廣播的玩家數據是有限的，但是“游戲大廳”需要維持相當高的在線用戶數，所以一般來說，這種游戲還是需要做“分服”的。而“游戲大廳”里面最有挑戰性的任務，就是“自動匹配”玩家進入一個“游戲房間”，這需要對所有在線玩家做搜索和過濾，以及為了更好的體驗，會對玩家進行分地區進行匹配，以方便獲得更快速的同步。

一般的方式是玩家先登錄“大廳服務器”，然后選擇組隊游戲的功能，服務器會通知參與的所有游戲客戶端，新開一條連接到房間服務器上，這樣所有參與的用戶就能在房間服務器里進行游戲交互了。

二、通信方式

說到通信方式，一般會有http和socket 兩種方式,但http底層也是采用socket,只是每次通信完成以后都會斷開，這種方式對于需要頻繁交互的雙方來說，顯得效率太低了，所以一般實時要求高的游戲都是采用socket方式來通信。

可是sokect通信，又分為兩種：TCP vs UDP，具體是采用那種socket類型，需要具體來看游戲游戲類型。以下是兩種類型的優劣:

從上面的對比中，我們可以會發現，關于socket，我們想做的事情，tcp都幫我們做了，我們只需要建立鏈接，然后像讀寫文件一樣讀寫就可以了。而udp需要我們自己設計一切。看到這一切，你可能第一感覺就是采用tcp而非udp，那么真實情況是如此么？基于游戲的業務以及場景不同，我可以明確的告訴你，王者榮耀是采用udp的，包括騰訊多數長鏈接手游都是采用udp，這是為何？

1、tcp保證數據可靠性是有代價的

tcp能夠保證數據包的可靠性和有序，這一切都幫你封裝好了。TCP發送一個數據包，等待一段時間，直到檢測到數據包丟失了，如果沒有接收到它的ACK，接下來就重新發送丟失的數據包到目標計算機。重復的數據包將被丟棄在接收端，亂序的數據包將被重新排序。以此來保證數據包的可靠性和有序性。

但為了保證可靠和有序，就要保證TCP無論什么情況，只要數據包出錯，就必須等待數據包的重發。這是什么意思吶，就是說，即使最新的數據已經到達，但還是不能訪問這些數據包，新到的數據會被放在一個隊列中，需要等待丟失的包重新發過來之后，所有數據沒有丟失才可以訪問。

如此，如果遇到網絡環境太差或者不穩定，比如說國內的移動網絡，或者是遭遇到了網絡阻塞，出現一個數據包丟失，所有事情都需要停下來等待這個數據包重發。客戶端會出現等待接收數據，玩家操作會出現卡頓以及響應不及時的現象。

2、udp的可靠性—DIY手動組裝

從上面我們可以知道udp主要在可靠性上主要是不能保證數據包的順序，比如第100個收到的數據包并不一定是第100個發出的數據包，同時也無法保證不丟包，期間有一個包丟失，udp本是也不會去校檢。如果這兩個問題解決了，udp的大部分可靠性問題也就解決了。

具體的方案我們這一篇就不在細說，大體上是如此來解決:

1、為每個數據包增加序列號，每發一次包，增加本地序號。

2、每個數據包增加一段位域，用來容納多個確認符。確認字符多少個，跟進應用的發包速率來覺得，速率越高，確認字符的數量也相應越多。

3、每次收到包，把收到的包上序列號變為確認字符，發送包的時候帶上這些確認字符。

4、如果從確認字符里面發現某個數據包有丟失，把它留給應用程序來編寫一個包含丟失數據的新的數據包，必要的話，這個包還會用一個新的序列號發送。

5、針對多次收到同一包的時候可以放棄它

三、同步方案

游戲中常見的同步方案，有狀態同步和幀同步，一般大型的MMOARPG都是采用的是狀態同步，比如魔獸世界，狀態同步采用C/S架構，所有的狀態由服務器來控制，安全性比較高，但是流量比較大。幀同步采用的是囚徒模式，所有c端強制采用一個邏輯幀率，從而保證輸出一致，其特點是流量小，安全性比較差。

王者榮耀采用的就是幀同步，那么具體幀同步是什么，如何實現的，我們從兩個地方來分解：

1、幀率

什么是幀率，可能沒有做過client同學并不是很清楚這個術語，我們從一個小李子來講解一下。我記得小時候有一種小人書，快速翻看就可以看到漫畫上的人物會動起來。如下面這種：

超過1M上傳不刪了，我也無奈

由于人類眼睛的特殊生理結構，如果所看畫面之幀率高于每秒約10-12幀的時候，就會認為是連貫的， 此現象稱之為視覺暫留。這也就是為什么電影膠片是一格一格拍攝出來，然后快速播放的，就像上圖快速翻小人書一樣。

游戲中的所有動畫也是采用這種方式來渲染，只不過幀率是有GPU來控制，你所看到的畫面都是有都是有GPU一幀幀渲染的，比如30幀/s，你所看到的畫面就比較流暢了。而幀率越高你所看到的越流暢。

2、Lockstep—幀同步

幀同步可以說是通過幀率延伸過來的，你可以把一個游戲看成一個巨大的狀態機，所有的參與者都采用同一個邏輯幀率來不斷的向前推進。

我們看如下2個圖：

圖中是A、B、C三個玩家的時間軸，這個時間軸不是電腦上的本地時間，而是A、B、C聯機時定義的一個時間軸。虛線分隔出來時間片稱為turn，可以理解成一幀。箭頭表示該玩家將自己的操作指令廣播給其他玩家。

我們把一盤游戲看成一個大型的狀態機，因為大家玩的是同一款的游戲，因此F是相同的，初始狀態S0也是相同的。在第一個turn結束時，所有玩家都接收到了完全一樣的輸入I，注意這里的I不是一個值，而是包含了當前游戲中所有玩家的操作指令集合。t1時刻所有玩家的電腦自行計算結果。由于F、S0和I是固定的，所以每個玩家電腦上計算出的下一個狀態S1一定是相同的。

所以通過上面我們可以知道：

1、我們把游戲的前進分為一幀幀，這里的幀和游戲的渲染幀率并不是一個，只是借鑒了幀的概念，自定義的幀，我們稱為turn。游戲的過程就是每一個turn不斷向前推進，每一個玩家的turn推進速度一致。

2、每一幀只有當服務器集齊了所有玩家的操作指令，也就是輸入確定了之后，才可以進行計算，進入下一個turn，否則就要等待最慢的玩家。之后再廣播給所有的玩家。如此才能保證幀一致。

3、Lockstep的游戲是嚴格按照turn向前推進的，如果有人延遲比較高，其他玩家必須等待該玩家跟上之后再繼續計算，不存在某個玩家領先或落后其他玩家若干個turn的情況。使用Lockstep同步機制的游戲中，每個玩家的延遲都等于延遲最高的那個人。

4、由于大家的turn一致，以及輸入固定，所以每一步所有客戶端的計算結果都一致的。

我們來看看具體的執行流程:

上圖中我們可以明顯看到，這種囚徒模式的幀同步，在第二幀的時候，因為玩家1有延遲，而導致第二幀的同步時間發生延遲，從而導致所有玩家都在等待，出現卡頓現象。

四、樂觀鎖&斷線重連

囚徒模式的幀同步，有一個致命的缺陷就是，若聯網的玩家有一個網速慢了，勢必會影響其他玩家的體驗，因為服務器要等待所有輸入達到之后再同步到所有的c端。另外如果中途有人掉線了，游戲就會無法繼續或者掉線玩家無法重連，因為在嚴格的幀同步的情況下，中途加入游戲是從技術上來講是非常困難的。因為你重新進來之后，你的初始狀態和大家不一致，而且你的狀態信息都是丟失狀態的，比如，你的等級，隨機種子，角色的屬性信息等。 比如玩過早期的冰封王座都知道，一旦掉線基本這局就廢了，需要重開，至于為何沒有卡頓的現象，因為那時都是解決方案都是采用局域網的方式，所以基本是沒有延遲問題的。

后期為了解決這個問題，如今包括王者榮耀，服務器會保存玩家當場游戲的游戲指令以及狀態信息，在玩家斷線重連的時候，能夠恢復到斷線前的狀態。不過這個還是無法解決幀同步的問題，因為嚴格的幀同步，是要等到所有玩家都輸入之后，再去通知廣播client更新，如果A服務器一直沒有輸入同步過來，大家是要等著的，那么如何解決這個問題？

采用“定時不等待”的樂觀方式在每次Interval時鐘發生時固定將操作廣播給所有用戶，不依賴具體每個玩家是否有操作更新。如此幀率的時鐘在由服務器控制，當客戶端有操作的時候及時的發送服務器，然后服務端每秒鐘20-50次向所有客戶端發送更新消息。如下圖:

上圖中，我們看到服務器不會再等到搜集完所有用戶輸入再進行下一幀，而是按照固定頻率來同步玩家的輸入信息到每一個c端，如果有玩家網絡延遲，服務器的幀步進是不會等待的，比如上圖中，在第二幀的時候，玩家A的網速慢，那么他這個時候，會被網速快的玩家給秒了（其他游戲也差不多）。但是網速慢的玩家不會卡到快的玩家，只會感覺自己操作延遲而已。

五、技能同步

游戲中有很多是和概率相關的，比如說技能的傷害有一定概率的暴擊傷害或者折光被擊等。按照幀同步的話，基于相同的輸入，每個玩家的client都是獨立計算傷害的，那么如何保證所有電腦的暴擊傷害一致那。這個時候就需要用到偽隨機了。

大部分編程語言內置庫里的隨機數都是利用線性同余發生器產生的，如果不指定隨機種子（Random Seed），默認以當前系統時間戳作為隨機種子。一旦指定了隨機種子，那么產生的隨機數序列就是確定的。就是說兩臺電腦采用相同的隨機種子，第N次隨機的結果是一致的。

所以在游戲開始前，服務器為每個玩家分配一個隨機種子，然后同步給client，如此每個client在計算每個角色的技能時候，就能保證傷害是一致的。這也是多數幀同步游戲采用的方案，包括王者榮耀。

5G游戲 UDP

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