FPS游戏同步机制

[zuhd]

在开始正文之前，有个出发点非常重要，同步策略的宗旨：为了玩家的更好游戏体验--Everything for players’ better game experience。一定要牢记，后面还会提到。

一，概念

1. authority 同步中心，通常我们说的服务器，有同步广播，纠错等功能

2. master 玩家控制的entity

3. replica 非玩家控制的其他entity在本地的拷贝

我们所说的同步就是指authority利用不同的策略，让replica保持和master状态同步。

二，（非）确定性模拟

根据不同的游戏类型，可以分为两大模拟策略：确定性模拟和非确定性模拟。

确定性模拟：对于不同的游戏玩家，不管在任何物理设备或外因下（机器硬件/地域/带宽），相同的输入，必然得到的输出，满足一致性。

非确定性模拟：要求较上面宽松很多，允许结果有差异性。

利用确定性模拟的游戏有我们非常熟悉的两款RTS游戏，starcraft & warcraft。总体来讲，这种游戏比较古老，受限于当时开发所处年代的硬件和带宽，这种游戏一般在局域网内体验会很好，battlenet就很糟心了。

确定性模拟的优势如下：

1，每次host广播的网络包体小，仅仅包含玩家的输入
2，游戏世界会严格同步，不会出现分歧

缺点好像更多：

1，对于不同的硬件（浮点数处理）开发和调试难度都很大，尤其是遇到bug很难重现，让程序员异常痛苦
2，一旦host上发现某一帧结果不一致，必须立即结束游戏，别无选择
3，玩家要对地图上所有的entity进行模拟计算，知道为什么澄海3C卡了吧
4，因为3，所以游戏对地图大小以及玩家数量都有限制，一般为开房规则
5，作弊变得容易，开局就口吐芬芳：挂B！ ALT + Q再见
6，断线重连难以实现

三，确定性模拟同步策略

1，隐藏延迟的小把戏—延迟输入

我们在游戏里通常会遇到这样的画面，比如法师释放技能的时候搓球，战士砍人的时候把刀高高举起，有没有思考过这样做的目的是什么呢？仅仅是为了增强游戏的逼真性吗？这只是其一，其二便是我们利用前摇这段时间偷偷的把消息发给了服务器，让服务器再广播出去，打了一个提前量，用来对冲RTT的延迟。这是在游戏开发中常用的技巧，非常重要。

2，lockstep

player每一帧都会把消息发给host，host同时会广播给所有人，并发ack给player，让他继续发送下一帧，在此期间所有人都只能卡住等待最后一个人的确认消息。这样的游戏体验在war3或是dota1中我们经常能遇到，一旦有一个玩家有高延迟，所有人都会卡住，聊天频道立马就会各种问号问候全家。那在非LAN的模式下是如何保证游戏流畅运行的呢？除了要求Ping在100以下之外，还有就是上面的输入延迟起到了很大的作用。如果所有的玩家能在输入延迟之内处理掉网络消息，那么游戏就可以顺利的继续，否则有玩家有网络抖动的话，就会每隔几帧卡顿一次，一直到该玩家网络恢复正常。

3，lockless

用lockstep固然能精确同步所有玩家的状态，但在网络抖动情况下，游戏体验太差，于是拥有7辆法拉利的游戏大神卡马克创造了lockless同步策略，这种乐观锁的**在后来的多线程或是异步事件处理中也能常常遇到。通常的做法是在host上缓存每个player的frame buffer，并允许客户端在未收到host的input1的ack之前，预判input2的行为结果，利用这段时间来对冲掉RTT，当然如果预判错误，host会无情的rollback到buffer中的历史状态。这样如果在游戏期间，player1出现了网络抖动，只要freeze住player1，其他的玩家正常游戏，再智能一点的做法就是设计一段AI代码为player1托管，让其他玩家感受不到player1的卡，尽管多数情况下这种托管都很傻。当player1网络恢复之后，就会快速播放保存在host端buffer中的Input，追赶上其他的玩家，但多数情况下player1会被干掉。为了保证游戏体验，一般会设置断线次数上限，当player1超出上限，就会被无情踢出游戏。

四，非确定性模拟

非确定性模拟会尊重网络延迟的存在性，并通过策略的设计去妥协和弥补，以保证replica的状态不断的向master状态聚合，最终达到较好的游戏体验。它会针对玩家的延迟程度，低延迟，正常延迟，高延迟做出不同的策略。

1. 同上，延迟输入是必要的。

2. replica的状态永远迟于master，且replica会周期性收到的master的snapshot，周期会根据延迟自动调整，原理类似于TCP的滑动窗口。

3. replica收到的snapshot是不连续的，需要用内插值(interpolation)让他们看起来更平滑。

4. authority会对shooter做延迟补偿，也就是说为了对冲掉shooter的RTT，authority会让shooter以target的某个历史snapshot做为真正的目标，去进行逻辑判断。这就是为什么我们经常躲在墙角也能被击中的原因，这样做是为了照顾第一视角的游戏体验。

5. 延迟补偿并不能被过度的使用，这样势必会伤害到target。一般的处理办法就是在游戏中设置latency threshold，只有不高于该值才会做补偿，否则不做补偿，一句话：卡à死！对于那些更高的ping，还是早点删掉游戏为妙。

6. 内插值是使用authority的广播数据，而且是历史数据，replica具有一定的滞后性。有一类游戏，可以使用外插值（dead reckoning）来保证replica和master之间的同步。如赛车类游戏，他们的状态相对简单，这样replica根据上一状态不断推导新的状态，并且向authority上报，一般情况下它是不关心authority的ack，除非偏离超过authority的threshold，这个时候强制同步一次即可，大大节约了带宽和时间。

7. 如何解决replica和master之间的偏离？

非确定性模拟的精髓就在于如何妥协偏离，它遵循的原则说的通俗一点就是：该软的时候软，该硬的时候就要硬。在网络抖动不是很大的时候，它会用滑动窗口和延迟补偿来让玩家尽量无感体验，一旦网络抖动较大，偏离超出了threshold，服务器可以立即使用拉回，穿墙，TP等不优雅的手段，强行保持一致。

五，首尾呼应

一切优化的目的：JUST FOR FUN!