《王者榮耀》打團(tuán)不掉幀、不卡頓的架構(gòu)方式和實現(xiàn)原理
“農(nóng)藥”自從上線以來，依靠著強(qiáng)大的產(chǎn)品力以及騰訊的運營能力，在游戲市場上的表現(xiàn)可謂是風(fēng)生水起。
根據(jù)第三方的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，《王者榮耀》滲透率達(dá)到 22.3%，用戶規(guī)模達(dá)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(shù)據(jù)，令人十分欽佩。
當(dāng)然，作為技術(shù)人，更愿意從技術(shù)上去了解一些王者榮耀的實現(xiàn)原理和架構(gòu)方式，從中找到新的知識領(lǐng)域，擴(kuò)展自己的知識邊界，豐富自己的專業(yè)技能。
本文我們將聊一聊王者榮耀的技術(shù)實現(xiàn)以及同步方式，更多的從 MOBA，多人在線戰(zhàn)術(shù)競爭游戲的方向來解析推理王者的實現(xiàn)方案。
以下是主要講解的幾個重點：
- 服務(wù)器架構(gòu)。
- 通信方式。
- 同步方案。
- 技能同步。
- 斷線重連。
服務(wù)器架構(gòu)
不難發(fā)現(xiàn)，王者榮耀的服務(wù)器采用房間模式，每個玩家登陸以后，然后進(jìn)入大廳，進(jìn)行游戲匹配。匹配完成之后，把一起對戰(zhàn)的玩家放到一個房間內(nèi)進(jìn)行對戰(zhàn)。
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(shù)量很小，而且需要匹配一臺房間服務(wù)器讓少數(shù)人進(jìn)入一個服務(wù)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(shù)據(jù)是有限的，但是“游戲大廳”需要維持相當(dāng)高的在線用戶數(shù)，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(zhàn)性的任務(wù)，就是“自動匹配”玩家進(jìn)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(jìn)行分地區(qū)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(wù)器”，然后選擇組隊游戲的功能，服務(wù)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(wù)器上，這樣所有參與的用戶就能在房間服務(wù)器里進(jìn)行游戲交互了。
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(yōu)劣：
從上面的對比中，我們會發(fā)現(xiàn)，關(guān)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(shè)計一切。
看到這一切，你可能***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(yè)務(wù)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(shù)長鏈接手游都是采用 udp，這是為何？
tcp 保證數(shù)據(jù)可靠性是有代價的
tcp 能夠保證數(shù)據(jù)包的可靠性和有序，這一切都幫你封裝好了。tcp 發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，等待一段時間，直到檢測到數(shù)據(jù)包丟失了，如果沒有接收到它的 ACK，接下來就重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包到目標(biāo)計算機(jī)。
重復(fù)的數(shù)據(jù)包將被丟棄在接收端，亂序的數(shù)據(jù)包將被重新排序，以此來保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包出錯，就必須等待數(shù)據(jù)包的重發(fā)。
這是什么意思呢？就是說，即使***的數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)，但還是不能訪問這些數(shù)據(jù)包，新到的數(shù)據(jù)會被放在一個隊列中，需要等待丟失的包重新發(fā)過來之后，所有數(shù)據(jù)沒有丟失才可以訪問。
如此，如果遇到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境太差或者不穩(wěn)定，比如說國內(nèi)的移動網(wǎng)絡(luò)，或者是遭遇到了網(wǎng)絡(luò)阻塞，出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)包丟失，所有事情都需要停下來等待這個數(shù)據(jù)包重發(fā)。
客戶端會出現(xiàn)等待接收數(shù)據(jù)，玩家操作會出現(xiàn)卡頓以及響應(yīng)不及時的現(xiàn)象。
udp 的可靠性—DIY 手動組裝
從上面我們可以知道 udp 主要在可靠性上是不能保證數(shù)據(jù)包的順序，比如第 100 個收到的數(shù)據(jù)包并不一定是第 100 個發(fā)出的數(shù)據(jù)包，同時也無法保證不丟包，期間有一個包丟失，udp 本身也不會去校檢。
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。
具體的方案大體上是這樣來解決：
- 為每個數(shù)據(jù)包增加序列號，每發(fā)一次包，增加本地序號。
- 每個數(shù)據(jù)包增加一段位域，用來容納多個確認(rèn)符。確認(rèn)字符多少個，跟進(jìn)應(yīng)用的發(fā)包速率來決定，速率越高，確認(rèn)字符的數(shù)量也相應(yīng)越多。
- 每次收到包，把收到的包上序列號變?yōu)榇_認(rèn)字符，發(fā)送包的時候帶上這些確認(rèn)字符。
- 如果從確認(rèn)字符里面發(fā)現(xiàn)某個數(shù)據(jù)包有丟失，把它留給應(yīng)用程序來編寫一個包含丟失數(shù)據(jù)的新的數(shù)據(jù)包，必要的話，這個包還會用一個新的序列號發(fā)送。
- 針對多次收到同一包的時候可以放棄它。
同步方案
游戲中常見的同步方案，有狀態(tài)同步和幀同步，一般大型的 MMOARPG 都是采用狀態(tài)同步，比如魔獸世界，狀態(tài)同步采用 C/S 架構(gòu)，所有的狀態(tài)由服務(wù)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(qiáng)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(xiàn)的，我們從兩個地方來分解：
幀率
什么是幀率，可能沒有做過 client 的同學(xué)并不是很清楚這個術(shù)語，我們從一個小例子來講解一下。
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。
由于人類眼睛的特殊生理結(jié)構(gòu)，如果所看畫面之幀率高于每秒約 10-12 幀的時候，就會認(rèn)為是連貫的， 此現(xiàn)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，只不過幀率是由 GPU 來控制，你所看到的畫面都是由 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畫面越流暢。
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(tài)機(jī)，所有的參與者都采用同一個邏輯幀率來不斷的向前推進(jìn)。
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(lián)機(jī)時定義的一個時間軸。虛線分隔出來的時間片稱為 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(tài)機(jī)，因為大家玩的是同一款的游戲，因此F是相同的，初始狀態(tài) S0 也是相同的。
在***個 turn 結(jié)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(dāng)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(jié)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(tài) S1 一定是相同的。
所以通過上面的介紹我們可以知道：
- 我們把游戲的前進(jìn)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(jìn)，每一個玩家的 turn 推進(jìn)速度一致。
- 每一幀只有當(dāng)服務(wù)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(jìn)行計算，進(jìn)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。
- Lockstep 的游戲是嚴(yán)格按照 turn 向前推進(jìn)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(xù)計算，不存在某個玩家領(lǐng)先或落后其他玩家若干個 turn 的情況。使用 Lockstep 同步機(jī)制的游戲中，每個玩家的延遲都等于延遲***的那個人。
- 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(jié)果都是一致的。
我們來看看具體的執(zhí)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(dǎo)致第二幀的同步時間發(fā)生延遲，從而導(dǎo)致所有玩家都在等待，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。
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(lián)網(wǎng)的玩家有一個網(wǎng)速慢了，勢必會影響其他玩家的體驗，因為服務(wù)器要等待所有輸入達(dá)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(xù)或者掉線玩家無法重連，因為在嚴(yán)格的幀同步的情況下，中途加入游戲從技術(shù)上來講是非常困難的。
因為你重新進(jìn)來之后，你的初始狀態(tài)和大家不一致，而且你的狀態(tài)信息都是丟失狀態(tài)的，比如你的等級，隨機(jī)種子，角色的屬性信息等。
玩過早期的冰封王座的用戶都知道，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(xiàn)象，因為那時解決方案都是采用局域網(wǎng)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(wù)器會保存玩家當(dāng)場游戲的游戲指令以及狀態(tài)信息，在玩家斷線重連的時候，能夠恢復(fù)到斷線前的狀態(tài)。
不過這個還是無法解決幀同步的問題，因為嚴(yán)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(wù)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(fā)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。
如此幀率的時鐘由服務(wù)器控制，當(dāng)客戶端有操作的時候及時的發(fā)送服務(wù)器，然后服務(wù)端每秒鐘 20-50 次向所有客戶端發(fā)送更新消息，如下圖：
上圖中，我們看到服務(wù)器不會再等到搜集完所有用戶輸入再進(jìn)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(wǎng)絡(luò)延遲，服務(wù)器的幀步進(jìn)是不會等待的。
比如上圖中，在第二幀的時候，玩家 A 的網(wǎng)速慢，那么他這個時候，會被網(wǎng)速快的玩家給秒了（其他游戲也差不多）。
但是網(wǎng)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。
技能同步
游戲中有很多是和概率相關(guān)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呢？這個時候就需要用到偽隨機(jī)了。
大部分編程語言內(nèi)置庫里的隨機(jī)數(shù)都是利用線性同余發(fā)生器產(chǎn)生的，如果不指定隨機(jī)種子（Random Seed），默認(rèn)以當(dāng)前系統(tǒng)時間戳作為隨機(jī)種子。
一旦指定了隨機(jī)種子，那么產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列就是確定的，就是說兩臺電腦采用相同的隨機(jī)種子，第 N 次隨機(jī)的結(jié)果是一致的。
所以在游戲開始前，服務(wù)器為每個玩家分配一個隨機(jī)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(shù)幀同步游戲采用的方案，包括王者榮耀。
wier，樂元素 leader 軟件工程師，從 2010 年起從事游戲開發(fā)，經(jīng)歷過頁游和手游兩個游戲發(fā)展期，期間曾帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)過山寨機(jī)上***款偷菜游戲，如今專注于二次元游戲領(lǐng)域及服務(wù)器技術(shù)研究，運維了一個游戲公眾號“大碼侯”，期待用自己的一點努力和貢獻(xiàn)，推進(jìn)游戲社區(qū)的前進(jìn)。
