網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器通信架構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要: 隨著網(wǎng)絡(luò)游戲玩家的日益增多，網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器端承受著嚴(yán)峻的性能考驗(yàn)和負(fù)載壓力。為了提供良好的服務(wù)品質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器端的設(shè)計(jì)顯得尤其重要。進(jìn)行游戲服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析，對于游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞: 網(wǎng)絡(luò)游戲;服務(wù)器端;通信架構(gòu)

1網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器概述

1.1 網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器的基本需求

網(wǎng)絡(luò)游戲是一種比較典型的分布式實(shí)時(shí)互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在過去幾年里面，有三種都屬于實(shí)時(shí)交互的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，它們之間截然不同，但互聯(lián)網(wǎng)上的地位卻非常突出:(1)軍事模擬類應(yīng)用;(2)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境;(3)大規(guī)模多人在線游戲(MMOG)。調(diào)查分析表明，現(xiàn)今的娛樂業(yè)在 MMOG 上，包括手機(jī)游戲和在線游戲上，都進(jìn)行了大量的投資。

從其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來看，MMOG和其他類的多媒體應(yīng)用不同，有非常不同的特征。在MMOG當(dāng)中，用戶需要與很多事物進(jìn)行交互，因此就需要在網(wǎng)絡(luò)上傳遞產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的控制信息。玩家在MMOG游戲中娛樂的過程中必須保證流暢的游戲畫面和動(dòng)作，這也就要求游戲的事件數(shù)據(jù)必須能夠在指定的間隔時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)。

1.2網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器的設(shè)計(jì)要求

快速響應(yīng)用戶。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)法隱藏固有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，快速響應(yīng)用戶，保證用戶操作流暢。

提高通信效率。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，以降低網(wǎng)絡(luò)通信量，使帶寬不至于成為某些客戶端的性能瓶頸。

設(shè)計(jì)高效的并發(fā)系統(tǒng)。在C/S模型中，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)維護(hù)整個(gè)世界狀態(tài)，處理所有客戶端請求，成為系統(tǒng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，客觀上要求服務(wù)器具有高并發(fā)性，應(yīng)當(dāng)可以同時(shí)接受大量用戶連接，同時(shí)能夠有效隔離錯(cuò)誤，為所有用戶提供穩(wěn)定的后臺(tái)支持。

服務(wù)的分布。單臺(tái)服務(wù)器處理能力有限，可以承受的用戶量有極限。隨著客戶端的大量增加，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)將需要巨大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，因此需要把服務(wù)分布在一個(gè)基于某種策略的服務(wù)器集群上。

2網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器系統(tǒng)層次框架

網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器體系從功能上可以劃分成幾個(gè)較為獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊，通信部分位于體系的最底層，它向上層提供具體的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，連接服務(wù)器與客戶端的交互。一個(gè)良好的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量減少模塊間的耦合度，結(jié)合系統(tǒng)特性運(yùn)用設(shè)計(jì)模式力求封裝變化，以使整體架構(gòu)具有較好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

網(wǎng)絡(luò)游戲通常設(shè)計(jì)為C/S結(jié)構(gòu)，客戶端只對非敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的邏輯處理，從游戲虛擬世界的角度來看，客戶端只是一個(gè)觀察世界的窗口，玩家通過觀察并與世界實(shí)體比如 NPC(Non-player character)、其他玩家進(jìn)行交互。服務(wù)器從玩家那里接收到操作信息，進(jìn)行處理后發(fā)回客戶端，經(jīng)客戶端通過圖形化處理，給玩家呈現(xiàn)出一個(gè)繽紛的游戲世界。

就服務(wù)器端而言，位于最底層的是網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)，用于在因特網(wǎng)上傳遞客戶和服務(wù)進(jìn)程之間的消息數(shù)據(jù)包。游戲邏輯層(Logic Layer)則對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)負(fù)責(zé)保持客戶與服務(wù)器游戲狀態(tài)空間的一致性。表現(xiàn)層(ExpressLayer)對這個(gè)狀態(tài)空間的場景對象進(jìn)行物理表示(Physical Expression)，便于服務(wù)器端的管理人員監(jiān)視和實(shí)時(shí)分析等，考慮服務(wù)器負(fù)擔(dān)和主要職責(zé)問題，一般表現(xiàn)層做得非常簡單，均可以根據(jù)配置信息決定是否加載該層的相關(guān)模塊。

而客戶端中，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)與服務(wù)器進(jìn)行通信，與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)層比較，其通信要求相對很低;游戲邏輯層則負(fù)責(zé)處理客戶端的行為邏輯以及非玩家角色的 AI 控制等;表示層的實(shí)現(xiàn)相對于服務(wù)器來說要復(fù)雜得多，采用專業(yè)的 2D 或者 3D 引擎技術(shù)展現(xiàn)絢爛的圖形畫面，伴以音頻等，以給玩家?guī)磔^好的游戲體驗(yàn)。由于玩家需要與游戲虛擬世界進(jìn)行交互，因而在表示層之上增加交互層以處理玩家的輸入控制等。

(1)網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)游戲網(wǎng)絡(luò)消息的發(fā)送和接收，消息的加解密以及底層的網(wǎng)絡(luò)通信，包括 NetworkIO、Decrypt/Encrypt 和 Messenger。接收客戶請求的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解密處理，傳遞給上層協(xié)議解釋后轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)消息發(fā)送給邏輯層，將經(jīng)邏輯層處理業(yè)務(wù)后的產(chǎn)生的響應(yīng)回包加密，然后發(fā)送給客戶。

邏輯層(Logic Layer)。邏輯層中 Governor 為中央控制模塊，對各個(gè)子模塊進(jìn)行管理控制，負(fù)責(zé)服務(wù)器端不同模塊的消息傳送，控制游戲的主時(shí)鐘，由 Governor 控制的子模塊包括:Authentication，World， Rule controller， AI controller， Command Script 和 Configuration等。其中，Authentication 主要負(fù)責(zé)用戶身份的驗(yàn)證，User Database 存儲(chǔ)用戶的基本資料，包括用戶 ID、密碼、用戶姓名和游戲中角色的數(shù)據(jù)等;World， Rule controller和 AI controller 共同維護(hù)游戲狀態(tài)空間，檢測玩家請求的有效性并模擬非玩家角色 NPC 的行為;Command Script 和 Configuration 則提供服務(wù)器參數(shù)的配置并根據(jù)需要通過命令改變服務(wù)器中的一些行為規(guī)則等。

表示層(Express Layer)。表示層根據(jù)配置信息決定是否加載，其中 World Simulate 用于模擬游戲狀態(tài)空間，觀察玩家行為;Stat.Analyse則是抓取整個(gè)系統(tǒng)的快照，查看當(dāng)前運(yùn)行情況，分析服務(wù)質(zhì)量等。三個(gè)層次負(fù)責(zé)各自的功能，共同協(xié)作向客戶提供服務(wù)。

3通信系統(tǒng)功能需求

網(wǎng)絡(luò)游戲作為一種分布式系統(tǒng)，絕大部分都采用 C/S 模式，通常具有幾千至幾十萬人同時(shí)在線的承載能力。游戲平臺(tái)為了保證游戲的性能，需要滿足以下的要求:

響應(yīng)時(shí)間及時(shí)性。從用戶的忍受程度以及游戲運(yùn)行的流暢性角度考慮，服務(wù)器對用戶要求的響應(yīng)時(shí)間以及服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫的操作時(shí)間都應(yīng)該限定在一個(gè)范圍之內(nèi)。不同的游戲其客戶端響應(yīng)時(shí)間要求不同，這也跟客戶與服務(wù)端請求響應(yīng)的處理機(jī)制相關(guān)。一般響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過200ms。

可伸縮性。可伸縮性在本文中指游戲世界中可同時(shí)在線的玩家數(shù)量。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)游戲和WEB 站點(diǎn)相似，使用情況可能是不可預(yù)料的、是動(dòng)態(tài)增加的，如果系統(tǒng)不是可伸縮的將會(huì)崩潰。實(shí)踐證明，對于 3000 人以內(nèi)的游戲世界狀態(tài)維護(hù)，采用單機(jī)系統(tǒng)達(dá)到很好的效果，而在線的玩家數(shù)量達(dá)到萬人以上時(shí)，當(dāng)前解決可伸縮性的主要方法是設(shè)置多服務(wù)器或者服務(wù)器集群。

穩(wěn)定性、可靠性。網(wǎng)絡(luò)游戲運(yùn)營是一種7×24小時(shí)不間斷的業(yè)務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)游戲應(yīng)用具有不平穩(wěn)、變化幅度大的特點(diǎn)，例如在節(jié)假日網(wǎng)絡(luò)游戲訪問量就會(huì)快速增長，過后又會(huì)突然回落，因此服務(wù)器必須要能夠很好地解決這種突發(fā)性的不平穩(wěn)和間歇。如果由于服務(wù)器失敗而使游戲會(huì)話終止，那么就會(huì)影響玩家對服務(wù)器的信任度，因此可靠性對于網(wǎng)絡(luò)游戲的服務(wù)器來說很重要。

可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。采用可擴(kuò)充的框架結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的游戲開發(fā)接口，分離游戲平臺(tái)與游戲邏輯，使得開發(fā)者只須專注游戲邏輯的開發(fā)，減少了公共功能(通訊、計(jì)費(fèi)、社區(qū)、游戲大廳等)的重復(fù)開發(fā)。這樣有利于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能升級(jí)，以及增加平臺(tái)中運(yùn)行游戲的數(shù)量，還可以輕松實(shí)現(xiàn)對所有系統(tǒng)資源的管理和維護(hù)。

4通信體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1功能劃分

網(wǎng)絡(luò) I/O。網(wǎng)絡(luò) I/O 負(fù)責(zé)完成端口的創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和銷毀操作，以及 I/O 工作線程的啟動(dòng)等。

Socket 監(jiān)聽。Socket 監(jiān)聽負(fù)責(zé)服務(wù)器端監(jiān)聽 Socket 的創(chuàng)建過程，根據(jù)預(yù)定義規(guī)則接受或者拒絕客戶的連接請求。

會(huì)話管理。游戲會(huì)話記錄了游戲客戶實(shí)體的所有信息，包括網(wǎng)絡(luò)連接信息、角色活動(dòng)狀態(tài)等，會(huì)話管理負(fù)責(zé)游戲會(huì)話的創(chuàng)建、更新以及銷毀，以及空閑會(huì)話的檢查。

協(xié)議轉(zhuǎn)換。這里的協(xié)議指的是協(xié)議數(shù)據(jù)，游戲中客戶端與服務(wù)器雙方通信的應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，作為游戲邏輯的中介，也稱為游戲數(shù)據(jù)包。協(xié)議轉(zhuǎn)換提供統(tǒng)一的協(xié)議解釋機(jī)制以及協(xié)議數(shù)據(jù)包的分拆與重組操作，以實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)到協(xié)議數(shù)據(jù)包的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行加解密操作。

線程池。線程池用在游戲邏輯處理部分，主要負(fù)責(zé)管理線程的生成，結(jié)束和分配任務(wù)等工作，線程池相當(dāng)于一個(gè)容器，在容器中運(yùn)行很多個(gè)線程，系統(tǒng)只需將工作交給線程池，由線程池負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和分配內(nèi)部工作。線程池對外界屏蔽了內(nèi)部線程的調(diào)度運(yùn)行，其對外界相當(dāng)于一個(gè)整體部分。

輔助結(jié)構(gòu)。輔助結(jié)構(gòu)包括體系中用來緩沖的各種隊(duì)列，如接收隊(duì)列、發(fā)送隊(duì)列、請求隊(duì)列以及響應(yīng)隊(duì)列，通過隊(duì)列緩沖同步操作與異步操作之間的數(shù)據(jù)傳遞。另一個(gè)輔助結(jié)構(gòu)則是內(nèi)存池，預(yù)先分配內(nèi)存以供通信系統(tǒng)使用，在一定程度上改善系統(tǒng)效率和降低系統(tǒng)資源的開銷。

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