從《王者榮耀》談遊戲的幀同步

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農藥自從上線以來，依靠着強大的產品力以及騰訊的運營能力，在遊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）均值爲5412.8萬人。 如此可觀的數據，使人十分欽佩。

固然了，做爲技術人，更願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，擴展本身的知識邊界，豐富本身的專業技能。藉助這個遊戲，這一篇咱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(多人在線戰術競爭遊戲)方向來解析推理王者的實現方案，如如有分析的不盡的方向，歡迎一塊兒探討改進。如下是主要講解的幾個重點:

1.服務器架構

2.通訊方式

3.同步方案

4.技能同步

5.斷線重連

1、服務器架構

不難發現，王者榮耀的服務器採用房間模式，每一個玩家登錄之後，而後進入大廳，進行匹配遊戲。匹配完成以後，把一塊兒對戰的玩家放到一個房間內進行對戰。

房間類玩法和MMORPG有很大的不一樣，在於其在線廣播單元的不肯定性和廣播數量很小，並且須要匹配一臺房間服務器讓少數人進入一個服務器。

這一類遊戲最重要的是其「遊戲大廳」的承載量，每一個「遊戲房間」受邏輯所限，須要維持和廣播的玩家數據是有限的，可是「遊戲大廳」須要維持至關高的在線用戶數，因此通常來講，這種遊戲仍是須要作「分服」的。而「遊戲大廳」裏面最有挑戰性的任務，就是「自動匹配」玩家進入一個「遊戲房間」，這須要對全部在線玩家作搜索和過濾，以及爲了更好的體驗，會對玩家進行分地區進行匹配，以方便得到更快速的同步。

通常的方式是玩家先登陸「大廳服務器」，而後選擇組隊遊戲的功能，服務器會通知參與的全部遊戲客戶端，新開一條鏈接到房間服務器上（房間服務器與參與遊戲的十個玩家交互），這樣全部參與的用戶就能在房間服務器裏進行遊戲交互了。

2、通訊方式

說到通訊方式，通常會有http和socket 兩種方式,但http底層也是採用socket,只是每次通訊完成之後都會斷開，這種方式對於須要頻繁交互的雙方來講，顯得效率過低了，因此通常實時要求高的遊戲都是採用socket方式來通訊。（遊戲通常都採起socket通訊）

但是sokect通訊，又分爲兩種：TCP vs UDP，具體是採用那種socket類型，須要具體來看遊戲遊戲類型。如下是兩種類型的優劣:

從上面的對比中，咱們能夠會發現，關於socket，咱們想作的事情，tcp都幫咱們作了，咱們只須要創建連接，而後像讀寫文件同樣讀寫就能夠了。而udp須要咱們本身設計一切。看到這一切，你可能第一感受就是採用tcp而非udp，那麼真實狀況是如此麼？基於遊戲的業務以及場景不一樣，我能夠明確的告訴你，王者榮耀是採用udp的，包括騰訊多數長連接手遊都是採用udp（對其進行改造，用其餘的方式儘可能保證可靠，實際上TCP也不是徹底可靠的），這是爲什麼？

一、tcp保證數據可靠性是有代價的

tcp可以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，若是沒有接收到它的ACK，接下來就從新發送丟失的數據包到目標計算機。重複的數據包將被丟棄在接收端，亂序的數據包將被從新排序。以此來保證數據包的可靠性和有序性。

但爲了保證可靠和有序，就要保證TCP不管什麼狀況，只要數據包出錯，就必須等待數據包的重發。這是什麼意思吶，就是說，即便最新的數據已經到達，但仍是不能訪問這些數據包，新到的數據會被放在一個隊列中，須要等待丟失的包從新發過來以後，全部數據沒有丟失才能夠訪問。

如此，若是遇到網絡環境太差或者不穩定，好比說國內的移動網絡，或者是遭遇到了網絡阻塞，出現一個數據包丟失，全部事情都須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，玩家操做會出現卡頓以及響應不及時的現象。

二、udp的可靠性—DIY手動組裝

從上面咱們能夠知道udp主要在可靠性上主要是不能保證數據包的順序，好比第100個收到的數據包並不必定是第100個發出的數據包，同時也沒法保證不丟包，期間有一個包丟失，udp本是也不會去校檢。若是這兩個問題解決了，udp的大部分可靠性問題也就解決了。

具體的方案咱們這一篇就不在細說，大致上是如此來解決:

一、爲每一個數據包增長序列號，每發一次包，增長本地序號。

二、每一個數據包增長一段位域，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以爲，速率越高，確認字符的數量也相應越多。

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

四、若是從確認字符裏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。

五、針對屢次收到同一包的時候能夠放棄它

3、同步方案

遊戲中常見的同步方案，有狀態同步和幀同步，通常大型的MMOARPG都是採用的是狀態同步，好比魔獸世界，狀態同步採用C/S架構，全部的狀態由服務器來控制，安全性比較高，可是流量比較大。幀同步採用的是囚徒模式，全部c端強制採用一個邏輯幀率，從而保證輸出一致，其特色是流量小，安全性比較差。

王者榮耀採用的就是幀同步，那麼具體幀同步是什麼，如何實現的，咱們從兩個地方來分解：

一、幀率

什麼是幀率，可能沒有作過client同窗並非很清楚這個術語，咱們從一個小例子來說解一下。我記得小時候有一種小人書，快速翻看就能夠看到漫畫上的人物會動起來。

因爲人類眼睛的特殊生理結構，若是所看畫面之幀率高於每秒約10-12幀的時候，就會認爲是連貫的， 此現象稱之爲視覺暫留。這也就是爲何電影膠片是一格一格拍攝出來，而後快速播放的，就像上圖快速翻小人書同樣。

遊戲中的全部動畫也是採用這種方式來渲染，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，好比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。

二、Lockstep—幀同步

幀同步能夠說是經過幀率延伸過來的，你能夠把一個遊戲當作一個巨大的狀態機，全部的參與者都採用同一個邏輯幀率來不斷的向前推動。

咱們看以下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爲turn，能夠理解成一幀。箭頭表示該玩家將本身的操做指令廣播給其餘玩家。

咱們把一盤遊戲當作一個大型的狀態機，由於你們玩的是同一款的遊戲，所以F是相同的，初始狀態S0也是相同的。在第一個turn結束時，全部玩家都接收到了徹底同樣的輸入I，注意這裏的I不是一個值，而是包含了當前遊戲中全部玩家的操做指令集合。t1時刻全部玩家的電腦自行計算結果。因爲F、S0和I是固定的，因此每一個玩家電腦上計算出的下一個狀態S1必定是相同的。

因此經過上面咱們能夠知道：

一、咱們把遊戲的前進分爲一幀幀，這裏的幀和遊戲的渲染幀率並非一個，只是借鑑了幀的概念，自定義的幀，咱們稱爲turn。遊戲的過程就是每個turn不斷向前推動，每個玩家的turn推動速度一致。

二、每一幀只有當服務器集齊了全部玩家的操做指令，也就是輸入肯定了以後，才能夠進行計算，進入下一個turn，不然就要等待最慢的玩家。以後再廣播給全部的玩家。如此才能保證幀一致。

三、Lockstep的遊戲是嚴格按照turn向前推動的，若是有人延遲比較高，其餘玩家必須等待該玩家跟上以後再繼續計算，不存在某個玩家領先或落後其餘玩家若干個turn的狀況。使用Lockstep同步機制的遊戲中，每一個玩家的延遲都等於延遲最高的那我的。

四、因爲你們的turn一致，以及輸入固定，因此每一步全部客戶端的計算結果都一致的。

咱們來看看具體的執行流程:

上圖中咱們能夠明顯看到，這種囚徒模式的幀同步，在第二幀的時候，由於玩家1有延遲，而致使第二幀的同步時間發生延遲，從而致使全部玩家都在等待，出現卡頓現象。

4、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，勢必會影響其餘玩家的體驗，由於服務器要等待全部輸入達到以後再同步到全部的c端。另外若是中途有人掉線了，遊戲就會沒法繼續或者掉線玩家沒法重連，由於在嚴格的幀同步的狀況下，中途加入遊戲是從技術上來說是很是困難的。由於你從新進來以後，你的初始狀態和你們不一致，並且你的狀態信息都是丟失狀態的，好比，你的等級，隨機種子，角色的屬性信息等。 好比玩過早期的冰封王座都知道，一旦掉線基本這局就廢了，須要重開，至於爲什麼沒有卡頓的現象，由於那時都是解決方案都是採用局域網的方式，因此基本是沒有延遲問題的。

後期爲了解決這個問題，現在包括王者榮耀，服務器會保存玩家當場遊戲的遊戲指令以及狀態信息，在玩家斷線重連的時候，可以恢復到斷線前的狀態。不過這個仍是沒法解決幀同步的問題，由於嚴格的幀同步，是要等到全部玩家都輸入以後，再去通知廣播client更新，若是A服務器一直沒有輸入同步過來，你們是要等着的，那麼如何解決這個問題？

採用「定時不等待」的樂觀方式在每次Interval時鐘發生時固定將操做廣播給全部用戶，不依賴具體每一個玩家是否有操做更新。如此幀率的時鐘在由服務器控制，當客戶端有操做的時候及時的發送服務器，而後服務端每秒鐘20-50次向全部客戶端發送更新消息。以下圖:

上圖中，咱們看到服務器不會再等到蒐集完全部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個c端，若是有玩家網絡延遲，服務器的幀步進是不會等待的，好比上圖中，在第二幀的時候，玩家A的網速慢，那麼他這個時候，會被網速快的玩家給秒了（其餘遊戲也差很少）。可是網速慢的玩家不會卡到快的玩家，只會感受本身操做延遲而已。

5、技能同步

遊戲中有不少是和機率相關的，好比說技能的傷害有必定機率的暴擊傷害或者折光被擊等。按照幀同步的話，基於相同的輸入，每一個玩家的client都是獨立計算傷害的，那麼如何保證全部電腦的暴擊傷害一致那。這個時候就須要用到僞隨機了。

大部分編程語言內置庫裏的隨機數都是利用線性同餘發生器產生的，若是不指定隨機種子（Random Seed），默認以當前系統時間戳做爲隨機種子。一旦指定了隨機種子，那麼產生的隨機數序列就是肯定的。就是說兩臺電腦採用相同的隨機種子，第N次隨機的結果是一致的。

因此在遊戲開始前，服務器爲每一個玩家分配一個隨機種子，而後同步給client，如此每一個client在計算每一個角色的技能時候，就能保證傷害是一致的。這也是多數幀同步遊戲採用的方案，包括王者榮耀。