游戲模擬器云化的架構(gòu)與實(shí)施

摘要：該文以安卓平臺(tái)上一款游戲模擬器的云化過程為例，分析了研發(fā)背景和云化方案的選擇思路，根據(jù)游戲模擬器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了輕量級(jí)、低損耗的音視頻攔截方案，給出了具體實(shí)施的系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊功能，并針對(duì)解決方案中存在的問題提出了節(jié)約系統(tǒng)資源、提高用戶體驗(yàn)、減少用戶流量成本的一系列優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：游戲模擬器;云游戲;音視頻攔截方案;解決方案;性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP37? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）01-0116-03

1 背景

隨著智能手機(jī)的普及，原來傳統(tǒng)游戲平臺(tái)遇到了瓶頸，面臨淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。游戲平臺(tái)升級(jí)會(huì)帶來老用戶體驗(yàn)下降、用戶流失，如果游戲平臺(tái)不升級(jí)但是隨著用戶手機(jī)硬件變?yōu)橹悄苁謾C(jī)而無法使用。因此，如何利用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)游戲平臺(tái)到云游戲平臺(tái)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)不變，又能很好地兼容不同的智能手機(jī)硬件是傳統(tǒng)游戲平臺(tái)急需解決的問題。

某公司就是該場(chǎng)景的典型案例，該公司有一款面向功能機(jī)的游戲模擬器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在功能機(jī)為游戲開發(fā)提供了統(tǒng)一接口，屏蔽了不同機(jī)型的硬件差異?；谠撃M器開發(fā)的游戲可便利地在不同功能機(jī)上移植，因此吸引了眾多游戲開發(fā)商為其開發(fā)游戲，而豐富的游戲內(nèi)容為該模擬器吸引了大量用戶。

隨著智能機(jī)時(shí)代的到來，該游戲模擬器被移植到安卓平臺(tái)。因市場(chǎng)環(huán)境變化，新增用戶較少但仍有大量存量用戶。

某段時(shí)間，該公司發(fā)現(xiàn)存量用戶的流失加快。經(jīng)市場(chǎng)部門調(diào)研發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘O果發(fā)布新手機(jī)，導(dǎo)致不少用戶從安卓手機(jī)更換為蘋果手機(jī)。經(jīng)進(jìn)一步調(diào)研得知，這些更換手機(jī)的用戶都是公司從功能機(jī)時(shí)代積累起來的，具有較高的忠誠(chéng)度，他們?nèi)匀幌Ｍ谔O果手機(jī)上能夠使用對(duì)應(yīng)的游戲模擬器。

為此市場(chǎng)部門要求研發(fā)部門在iOS平臺(tái)提供對(duì)應(yīng)的游戲模擬器產(chǎn)品，以防止安卓手機(jī)上的用戶進(jìn)一步流失，并挽回已遷移到蘋果手機(jī)上的用戶。

2 技術(shù)方案選擇

2.1 移植方案

研發(fā)部門計(jì)劃把游戲模擬器和游戲從安卓上移植到iOS系統(tǒng)上，但是經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)兩者均存在困難。

對(duì)于游戲模擬器，移植的困難有三點(diǎn)。1）游戲模擬器代碼規(guī)模龐大，達(dá)數(shù)十萬行，且邏輯復(fù)雜;2）游戲模擬器底層需要針對(duì)iOS平臺(tái)做大量的接口適配工作，技術(shù)挑戰(zhàn)大;3）游戲模擬器產(chǎn)品已經(jīng)處于維護(hù)階段，只有少數(shù)員工維護(hù)，開發(fā)所需的人力資源不足。

對(duì)于游戲的移植，雖然不需要變動(dòng)游戲邏輯（因?yàn)橛螒蚰M器屏蔽了設(shè)備和系統(tǒng)差異），但是需要游戲編譯iOS平臺(tái)的版本。然而這些游戲年代久遠(yuǎn)，不少開發(fā)商已經(jīng)聯(lián)系不上或者注銷，無法被重新編譯。

綜合考慮，移植方案不可行。

2.2 云游戲方案

由于移植方案的成本高昂，那么是否有其他方案呢？研發(fā)部門把目光投向了云游戲解決方案。

云游戲是使得在計(jì)算能力較弱的客戶端能運(yùn)行高品質(zhì)游戲的一種方式。云端運(yùn)行游戲邏輯，而客戶端僅僅是展示游戲畫面、播放音頻，以及收集、傳遞用戶的控制命令發(fā)送到云端。因此可以避免客戶端上大量的移植和改造工作。由于模擬器上的游戲都較老，分辨率普遍較低，也適合做成云游戲。

實(shí)現(xiàn)云游戲的關(guān)鍵是服務(wù)端能高效快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲音視頻的攔截。傳統(tǒng)的攔截方式有兩種：一種是在設(shè)備截獲其音視頻，進(jìn)行編碼，這種方式需要依賴較高級(jí)的硬件配置。另一種是hook操作系統(tǒng)中游戲用到的圖像繪制和音頻播放接口，以攔截對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流，這種方案需要了解對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)的相關(guān)接口[1]。

如果采用上述攔截方式，需要涉及大量研發(fā)部門未曾用過的技術(shù)，不利于在資源少、投入少的情況下快速開發(fā)，因此還需另辟蹊徑。考慮到游戲的繪制、音頻播放都是調(diào)用游戲模擬器的接口，如果在相應(yīng)的接口層攔截?cái)?shù)據(jù)，也可以達(dá)到和傳統(tǒng)攔截方式同樣的目的。這種輕量級(jí)的攔截方式不僅技術(shù)難度較低，而且還因?yàn)楸苊饫L制游戲或者拷貝顯存而更加高效。

3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)框架設(shè)計(jì)

整體技術(shù)方案的框架劃分為模擬器端、服務(wù)器端和客戶端。模擬器端運(yùn)行真實(shí)MRP游戲，實(shí)現(xiàn)畫面攔截轉(zhuǎn)發(fā)，模擬用戶操作游戲動(dòng)作。服務(wù)器控制模擬器管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（通過TCP連接）?？蛻舳苏故居螒虍嬅?、攔截和轉(zhuǎn)發(fā)用戶行為，且實(shí)現(xiàn)登錄等其他基本功能。模擬器端由節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)矩陣組成，服務(wù)器端由數(shù)據(jù)庫、配置服務(wù)和ftp服務(wù)組成，客戶端為移動(dòng)終端。具體架構(gòu)如圖1所示。

1）iOS客戶端。iOS客戶端是用戶使用云游戲的入口，按照安卓游戲模擬器界面風(fēng)格設(shè)計(jì)，出于跨平臺(tái)的考慮，使用h5技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

用戶先需登錄客戶端以獲取訪問云游戲系統(tǒng)的權(quán)限。之后，客戶端請(qǐng)求列表服務(wù)獲取可用的游戲列表，展示在界面上。當(dāng)用戶在界面上選擇使用某款游戲后，客戶端啟動(dòng)該游戲的一次云服務(wù)過程。

在云游戲過程中，客戶端首先向游戲模擬器資源分配服務(wù)申請(qǐng)資源，接著連接到資源中指定的游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)，之后借助于傳輸中介服務(wù)和云端的游戲模擬器通信，進(jìn)而完成整個(gè)云游戲的過程。

2）游戲列表服務(wù)。游戲列表服務(wù)是云端供客戶端查詢?cè)朴螒蛄斜淼慕涌凇Ｋㄟ^查詢配置數(shù)據(jù)庫把查詢結(jié)果返回給客戶端。配置數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由運(yùn)營(yíng)人員通過部署服務(wù)器配置。

3）游戲模擬器資源分配服務(wù)。游戲模擬器資源分配服務(wù)是云端供客戶端創(chuàng)建云游戲服務(wù)的接口。

空閑的游戲模擬器會(huì)連接到游戲模擬器資源分配服務(wù)，等待任務(wù)分配。當(dāng)游戲模擬器資源分配服務(wù)收到客戶端連接請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)等待中的游戲模擬器，之后將游戲模擬器返回的資源信息轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。

4）游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)。游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)是客戶端和游戲模擬器傳輸數(shù)據(jù)的中介。它的主要任務(wù)是協(xié)助客戶端和游戲模擬器進(jìn)行對(duì)接及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

5）游戲模擬器集群。云端有多臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)裝有Ubuntu系統(tǒng) + VirtualBox + genymotion環(huán)境[2]。Genymotion可創(chuàng)建多個(gè)安卓模擬器實(shí)例，每個(gè)安卓模擬器可以安裝一個(gè)預(yù)裝了目標(biāo)游戲的游戲模擬器應(yīng)用，由此組成游戲模擬器集群。每個(gè)游戲模擬器可為一個(gè)用戶提供云游戲服務(wù)。由于游戲模擬器處于內(nèi)網(wǎng)不能直接被客戶端訪問，因此必須通過游戲模擬器資源分配服務(wù)和游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)才能為客戶端提供服務(wù)。

游戲模擬器有三種狀態(tài)，空閑、等待以及忙碌狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，它連接到游戲模擬器資源分配服務(wù)等待任務(wù)的分配。取得任務(wù)后它連接到游戲數(shù)據(jù)傳輸中介等待客戶端連接，同時(shí)將資源信息（模擬器id、對(duì)接客戶端的游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)器url地址）返回給游戲模擬器資源分配服務(wù)。此時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)。在等待狀態(tài)下，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的客戶端連接到了游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)，則游戲模擬器進(jìn)入忙碌狀態(tài)。此后，它啟動(dòng)目標(biāo)游戲、攔截并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到客戶端、接收并處理來自客戶端用戶控制命令。最后，當(dāng)一次云服務(wù)結(jié)束時(shí)，客戶端、游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)、游戲模擬器之間的連接被銷毀，游戲模擬器重新恢復(fù)到空閑狀態(tài)。

6）配置服務(wù)。配置服務(wù)是運(yùn)營(yíng)人員部署云游戲的接口。運(yùn)營(yíng)人員可以通過配置服務(wù)配置系統(tǒng)支持的游戲列表，為每款游戲設(shè)定對(duì)應(yīng)的部署資源包，并將該部署資源包指派給特定的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。

部署資源包中含有g(shù)enymotion安卓模擬器鏡像和部署參數(shù)文件，其中鏡像上預(yù)裝了含有目標(biāo)游戲的游戲模擬器。它最會(huì)被上傳到ftp服務(wù)器供需要服務(wù)器節(jié)點(diǎn)下載。

7）節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)。節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)負(fù)責(zé)在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的部署云游戲。它定時(shí)配置服務(wù)本節(jié)點(diǎn)的部署資源包。如果有新部署資源包，它會(huì)則下載到本地。

下載完畢后，它先執(zhí)行g(shù)enymotion命令卸載所有老安卓模擬器鏡像，然后使用部署資源包中的新安卓模擬器鏡像創(chuàng)建并啟動(dòng)多個(gè)實(shí)例。最后，它再根據(jù)部署資源包中的部署參數(shù)文件啟動(dòng)、配置游戲模擬器。

3.2 交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的客戶端和游戲模擬器對(duì)接、傳輸數(shù)據(jù)的完整過程如圖2所示。通過加入游戲列表、游戲模擬器資源分配服務(wù)、游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)將每個(gè)用戶占用一整套服務(wù)資源進(jìn)行云化，根據(jù)算法進(jìn)行分步、分時(shí)為提供用戶不同操作下異步的請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)多用戶多端口并行處理服務(wù)。

4 技術(shù)框架的實(shí)施

4.1 用戶到云游戲模擬器端的技術(shù)實(shí)施

游戲模擬器上的游戲端與服務(wù)器保持長(zhǎng)鏈接，瀏覽器端與服務(wù)器保持長(zhǎng)鏈接。

登錄行為：瀏覽器端html實(shí)現(xiàn)輸入框彈窗，登錄時(shí)將賬號(hào)密碼封裝成protobuf數(shù)據(jù)包發(fā)送至游戲模擬器端登錄成功后啟動(dòng)游戲。

斷線行為：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好或用戶關(guān)閉瀏覽器時(shí)，瀏覽器端與服務(wù)端的長(zhǎng)鏈接斷開，此時(shí)，游戲模擬器端與服務(wù)器端的長(zhǎng)鏈接會(huì)持續(xù)保存5分鐘，如果5分鐘后無再次連接，游戲模擬器端就會(huì)重啟游戲進(jìn)程重新連接服務(wù)器，如果5分鐘內(nèi)瀏覽器端重新連接上，那么服務(wù)端會(huì)將該瀏覽器與游戲模擬器重新匹配上，達(dá)到斷線重連的效果。

點(diǎn)擊行為：游戲模擬器上的游戲端畫面分辨率為240x320，所以在瀏覽器端畫面等比放大，瀏覽器端捕捉點(diǎn)擊與抬起事件，當(dāng)滑動(dòng)屏幕時(shí)，定時(shí)捕捉屏幕坐標(biāo)作為點(diǎn)擊事件，捕捉到的事件通過protobuf協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至游戲模擬器的游戲端[3]。

4.2 云游戲模擬器的技術(shù)實(shí)施步驟

將游戲在模擬器上后臺(tái)運(yùn)行多個(gè)（節(jié)省服務(wù)器資源）。游戲模擬器上額外運(yùn)行一個(gè)管理程序，負(fù)責(zé)游戲的啟動(dòng)關(guān)閉，異常處理。

每個(gè)游戲啟動(dòng)一個(gè)連接至中轉(zhuǎn)服務(wù)保持的長(zhǎng)鏈接，瀏覽器端發(fā)起websocket長(zhǎng)鏈接至中轉(zhuǎn)服務(wù)。

中轉(zhuǎn)服務(wù)將瀏覽器端的長(zhǎng)鏈接與游戲端的長(zhǎng)鏈接進(jìn)行互傳數(shù)據(jù)。

游戲端在收到瀏覽器端發(fā)來的指令后啟動(dòng)游戲，生成游戲畫面，分片抓取生成數(shù)據(jù)包傳輸至瀏覽器端。

瀏覽器端收到數(shù)據(jù)之后分片在不同屏幕區(qū)域上進(jìn)行展示畫面。

游戲端根據(jù)摘要算法對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包緩存md5值，發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候進(jìn)行md5值比對(duì)，不發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。

在前端進(jìn)行數(shù)據(jù)包緩存，根據(jù)md5值進(jìn)行存取達(dá)到節(jié)省流量提高運(yùn)行速度的效果。

瀏覽器端捕捉屏幕觸摸事件，輸入框或按鈕生成指令發(fā)送到游戲端進(jìn)行交互從而控制游戲。

5 系統(tǒng)性能優(yōu)化

相比而言，云游戲方案避免了移植所帶來的巨大工作量和風(fēng)險(xiǎn)，但是它也存在一些問題。一方面，由于游戲?qū)嵗技性谠贫说姆?wù)器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，使服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力成為瓶頸。另一方面，云游戲需要處理、傳輸大量音視頻數(shù)據(jù)，容易引發(fā)延時(shí)、卡頓、用戶流量消耗過大等問題。為此，研發(fā)部門采用了如下幾類措施進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 優(yōu)化資源

1）精簡(jiǎn)模擬器鏡像。刪除genymotion鏡像上無關(guān)的系統(tǒng)應(yīng)用，如郵件、聯(lián)系人、圖庫等，以減少鏡像內(nèi)的存儲(chǔ)資源占用。

2）多開游戲模擬器。通過變更包名的方式，可多個(gè)游戲模擬器可在安卓上同時(shí)運(yùn)行。在某特定型號(hào)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上，可支持同時(shí)開啟5個(gè)安卓模擬器，每個(gè)安卓模擬器可開啟5個(gè)游戲模擬器。故單節(jié)點(diǎn)可支持25個(gè)用戶，并發(fā)量大大提高。

3）自動(dòng)化縮放游戲模擬器集群。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控游戲模擬器集群的連接狀況，可以動(dòng)態(tài)縮放集群的規(guī)模。當(dāng)總連接數(shù)超過最高閾值時(shí)，配置管理模塊可以自動(dòng)化快速動(dòng)態(tài)部署新游戲模擬器到新服務(wù)器節(jié)點(diǎn);當(dāng)總連接數(shù)低于最低閾值時(shí)，配置管理模塊則自動(dòng)化取消部分服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，釋放資源。

5.2 減少視頻數(shù)據(jù)傳輸

1）單圖片分塊傳輸。模擬器游戲的一個(gè)特點(diǎn)是存在大量的只有局部圖像變化的場(chǎng)景（例如砍殺怪物時(shí)），此時(shí)沒有必要傳輸全部的圖像。

游戲模擬器把游戲畫面分塊，檢測(cè)各個(gè)區(qū)塊的變化，并僅將變化的區(qū)塊發(fā)送到客戶端[4]。客戶端只需增量更新其中變化的部分。由于游戲的分辨率不高，大多只有320x240，因此分塊算法所消耗的CPU在可以接受的范圍內(nèi)。此項(xiàng)優(yōu)化大大減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)量，自然而然也降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性和時(shí)延。

2）幀優(yōu)化。根據(jù)游戲在游戲模擬器平臺(tái)上的開發(fā)約定，游戲過程中游戲只能在模擬器的局部區(qū)域內(nèi)繪制畫面。當(dāng)播放過場(chǎng)動(dòng)畫時(shí)，需要切換到全屏繪制。

因此游戲模擬器可以根據(jù)接口層檢測(cè)到的繪制尺寸的變化來判斷游戲是否處于過場(chǎng)動(dòng)畫階段。如果處于過場(chǎng)動(dòng)畫階段，游戲模擬器只攔截并傳輸過場(chǎng)動(dòng)畫的第一幀，丟棄后續(xù)幀。直到繪制區(qū)域大小發(fā)生變化（意味著過場(chǎng)動(dòng)畫結(jié)束，重新進(jìn)入游戲界面）。

這種方法是犧牲部分用戶體驗(yàn)，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸成本。

3）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？蛻舳伺c中繼、中繼與云端的交互中，都使用protobuf協(xié)議封裝數(shù)據(jù)[5]。目的是減少傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)量、且提高解析速度。protobuf具有平臺(tái)無關(guān)和語言無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，易擴(kuò)展，便于在服務(wù)端和客戶端異質(zhì)平臺(tái)通信。解析速度比解析XML快約20-100倍。且序列化數(shù)據(jù)非常緊湊，其序列化之后的數(shù)據(jù)量約XML文本方式的1/3到1/10。

6 結(jié)束語

經(jīng)過上述優(yōu)化，整個(gè)云游戲系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。最終客戶端和服務(wù)端的處理和傳輸?shù)臅r(shí)延小于100ms，游戲所需的帶寬約為30KB/S，畫面較為流暢，用戶體驗(yàn)良好。因單臺(tái)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)支持25路并發(fā)服務(wù)，部署十臺(tái)服務(wù)器可供250個(gè)用戶同時(shí)在線，滿足了業(yè)務(wù)部門的目標(biāo)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-09-16

作者簡(jiǎn)介：呂麗珺（1981—），女，浙江松陽人，講師，碩士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)、電子商務(wù)應(yīng)用和商務(wù)數(shù)據(jù)分析。

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