從王者榮耀聊聊遊戲的幀同步

如此可觀的資料，令人十分欽佩。

伺服器架構

通訊方式

同步方案

技能同步

斷線重連

一般的方式是玩家先登入「大廳伺服器」，然後選擇組隊遊戲的功能，伺服器會通知參與的所有遊戲客戶端，新開一條連線到房間伺服器上，這樣所有參與的使用者就能在房間伺服器裡進行遊戲互動了。

說到通訊方式，一般會有http和socket 兩種方式,但http底層也是採用socket,只是每次通訊完成以後都會斷開，這種方式對於需要頻繁互動的雙方來說，顯得效率太低了，所以一般實時要求高的遊戲都是採用socket方式來通訊。

可是sokect通訊，又分為兩種：tcp vs udp，具體是採用那種socket型別，需要具體來看遊戲遊戲型別。以下是兩種型別的優劣:

tcp能夠保證資料報的可靠性和有序，這一切都幫你封裝好了。tcp傳送乙個資料報，等待一段時間，直到檢測到資料報丟失了，如果沒有接收到它的ack，接下來就重新傳送丟失的資料報到目標計算機。重複的資料報將被丟棄在接收端，亂序的資料報將被重新排序。以此來保證資料報的可靠性和有序性。

但為了保證可靠和有序，就要保證tcp無論什麼情況，只要資料報出錯，就必須等待資料報的重發。這是什麼意思吶，就是說，即使最新的資料已經到達，但還是不能訪問這些資料報，新到的資料會被放在乙個佇列中，需要等待丟失的包重新發過來之後，所有資料沒有丟失才可以訪問。

如此，如果遇到網路環境太差或者不穩定，比如說國內的流動網路，或者是遭遇到了網路阻塞，出現乙個資料報丟失，所有事情都需要停下來等待這個資料報重發。客戶端會出現等待接收資料，玩家操作會出現卡頓以及響應不及時的現象。

從上面我們可以知道udp主要在可靠性上主要是不能保證資料報的順序，比如第100個收到的資料報並不一定是第100個發出的資料報，同時也無法保證不丟包，期間有乙個包丟失，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、為每個資料報增加序列號，每發一次包，增加本地序號。

2、每個資料報增加一段位域，用來容納多個確認符。確認字元多少個，跟進應用的發包速率來覺得，速率越高，確認字元的數量也相應越多。

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

4、如果從確認字元裡面發現某個資料報有丟失，把它留給應用程式來編寫乙個包含丟失資料的新的資料報，必要的話，這個包還會用乙個新的序列號傳送。

5、針對多次收到同一包的時候可以放棄它

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，我們從兩個地方來分解：

什麼是幀率，可能沒有做過client同學並不是很清楚這個術語，我們從乙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

幀同步可以說是通過幀率延伸過來的，你可以把乙個遊戲看成乙個巨大的狀態機，所有的參與者都採用同乙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聯機時定義的乙個時間軸。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。

我們把一盤遊戲看成乙個大型的狀態機，因為大家玩的是同一款的遊戲，因此f是相同的，初始狀態s0也是相同的。在第乙個turn結束時，所有玩家都接收到了完全一樣的輸入i，注意這裡的i不是乙個值，而是包含了當前遊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。由於f、s0和i是固定的，所以每個玩家電腦上計算出的下乙個狀態s1一定是相同的。

所以通過上面我們可以知道：

1、我們把遊戲的前進分為一幀幀，這裡的幀和遊戲的渲染幀率並不是乙個，只是借鑑了幀的概念，自定義的幀，我們稱為turn。遊戲的過程就是每乙個turn不斷向前推進，每乙個玩家的turn推進速度一致。

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

3、lockstep的遊戲是嚴格按照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後再繼續計算，不存在某個玩家領先或落後其他玩家若干個turn的情況。使用lockstep同步機制的遊戲中，每個玩家的延遲都等於延遲最高的那個人。

4、由於大家的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。

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。

囚徒模式的幀同步，有乙個致命的缺陷就是，若聯網的玩家有乙個網速慢了，勢必會影響其他玩家的體驗，因為伺服器要等待所有輸入達到之後再同步到所有的c端。另外如果中途有人掉線了，遊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，中途加入遊戲是從技術上來講是非常困難的。因為你重新進來之後，你的初始狀態和大家不一致，而且你的狀態資訊都是丟失狀態的，比如，你的等級，隨機種子，角色的屬性資訊等。 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，至於為何沒有卡頓的現象，因為那時都是解決方案都是採用區域網的方式，所以基本是沒有延遲問題的。

後期為了解決這個問題，如今包括王者榮耀，伺服器會儲存玩家當場遊戲的遊戲指令以及狀態資訊，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後，再去通知廣播client更新，如果a伺服器一直沒有輸入同步過來，大家是要等著的，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作廣播給所有使用者，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伺服器控制，當客戶端有操作的時候及時的傳送伺服器，然後服務端每秒鐘20-50次向所有客戶端傳送更新訊息。如下圖:

上圖中，我們看到伺服器不會再等到蒐集完所有使用者輸入再進行下一幀，而是按照固定頻率來同步玩家的輸入資訊到每乙個c端，如果有玩家網路延遲，伺服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，那麼他這個時候，會被網速快的玩家給秒了（其他遊戲也差不多）。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。

遊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，基於相同的輸入，每個玩家的client都是獨立計算傷害的，那麼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。

大部分程式語言內建庫里的隨機數都是利用線性同餘發生器產生的，如果不指定隨機種子（random seed），預設以當前系統時間戳作為隨機種子。一旦指定了隨機種子，那麼產生的隨機數序列就是確定的。就是說兩台電腦採用相同的隨機種子，第n次隨機的結果是一致的。

所以在遊戲開始前，伺服器為每個玩家分配乙個隨機種子，然後同步給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。這也是多數幀同步遊戲採用的方案，包括王者榮耀。

從《王者榮耀》談遊戲的幀同步

不難發現，王者榮耀的伺服器採用房間模式，每個玩家登陸以後，然後進入大廳，進行匹配遊戲。匹配完成之後，把一起對戰的玩家放到乙個房間內進行對戰。說到通訊方式，一般會有http和socket 兩種方式,但http底層也是採用socket,只是每次通訊完成以後都會斷開，這種方式對於需要頻繁互動的雙方來說，顯...

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