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王者荣耀: 一到团战就卡怎么办? 这个设置打开后, 从此告别卡顿
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《王者荣耀》打团不掉帧、不卡顿的架构方式和实现原理
根据第三方的调研数据显示，《王者荣耀》渗透率达到 22.3%，用户规模达到 2.01 亿人，每日的日活跃用户（DAU）均值为 5412.8 万人。 如此可观的数据，令人十分钦佩。
作者：wier来源：| 09:25
&农药&自从上线以来，依靠着强大的产品力以及腾讯的运营能力，在游戏市场上的表现可谓是风生水起。
根据第三方的调研数据显示，《王者荣耀》渗透率达到 22.3%，用户规模达到 2.01 亿人，每日的日活跃用户（DAU）均值为 5412.8 万人。 如此可观的数据，令人十分钦佩。
当然，作为技术人，更愿意从技术上去了解一些王者荣耀的实现原理和架构方式，从中找到新的知识领域，扩展自己的知识边界，丰富自己的专业技能。
本文我们将聊一聊王者荣耀的技术实现以及同步方式，更多的从 MOBA，多人在线战术竞争游戏的方向来解析推理王者的实现方案。
以下是主要讲解的几个重点：
服务器架构。
通信方式。
同步方案。
技能同步。
断线重连。
服务器架构
不难发现，王者荣耀的服务器采用房间模式，每个玩家登陆以后，然后进入大厅，进行游戏匹配。匹配完成之后，把一起对战的玩家放到一个房间内进行对战。
房间类玩法和 MMORPG 有很大的不同，在于其在线广播单元的不确定性和广播数量很小，而且需要匹配一台房间服务器让少数人进入一个服务器。
这一类游戏最重要的是其&游戏大厅&的承载量，每个&游戏房间&受逻辑所限，需要维持和广播的玩家数据是有限的，但是&游戏大厅&需要维持相当高的在线用户数，所以一般来说，这种游戏还是需要做&分服&的。
而&游戏大厅&里面最有挑战性的任务，就是&自动匹配&玩家进入一个&游戏房间&，这需要对所有在线玩家做搜索和过滤，以及为了更好的体验，会对玩家进行分地区匹配，以方便获得更快速的同步。
一般的方式是玩家先登录&大厅服务器&，然后选择组队游戏的功能，服务器会通知参与的所有游戏客户端，新开一条连接到房间服务器上，这样所有参与的用户就能在房间服务器里进行游戏交互了。
说到通信方式，一般会有 http 和 socket 两种方式，但 http 底层也是采用 socket，只是每次通信完成以后都会断开。
这种方式对于需要频繁交互的双方来说，显得效率太低了，所以一般实时要求高的游戏都是采用 socket 方式来通信。
可是 sokect 通信，又分为两种：TCP vs UDP，具体是采用那种 socket 类型，需要具体来看游戏游戏类型。
以下是两种类型的优劣：
从上面的对比中，我们会发现，关于 socket，我们想做的事情，tcp 都帮我们做了，我们只需要建立链接，然后像读写文件一样读写就可以了。而 udp 需要我们自己设计一切。
看到这一切，你可能第一感觉就是采用 tcp 而非 udp，那么真实情况是如此么？基于游戏的业务以及场景不同，我可以明确的告诉你，王者荣耀是采用 udp 的，包括腾讯多数长链接手游都是采用 udp，这是为何？
tcp 保证数据可靠性是有代价的
tcp 能够保证数据包的可靠性和有序，这一切都帮你封装好了。tcp 发送一个数据包，等待一段时间，直到检测到数据包丢失了，如果没有接收到它的 ACK，接下来就重新发送丢失的数据包到目标计算机。
重复的数据包将被丢弃在接收端，乱序的数据包将被重新排序，以此来保证数据包的可靠性和有序性。
但为了保证可靠和有序，就要保证 tcp 无论什么情况，只要数据包出错，就必须等待数据包的重发。
这是什么意思呢？就是说，即使最新的数据已经到达，但还是不能访问这些数据包，新到的数据会被放在一个队列中，需要等待丢失的包重新发过来之后，所有数据没有丢失才可以访问。
如此，如果遇到网络环境太差或者不稳定，比如说国内的移动网络，或者是遭遇到了网络阻塞，出现一个数据包丢失，所有事情都需要停下来等待这个数据包重发。
客户端会出现等待接收数据，玩家操作会出现卡顿以及响应不及时的现象。
udp 的可靠性&DIY 手动组装
从上面我们可以知道 udp 主要在可靠性上是不能保证数据包的顺序，比如第 100 个收到的数据包并不一定是第 100 个发出的数据包，同时也无法保证不丢包，期间有一个包丢失，udp 本身也不会去校检。
如果这两个问题解决了，udp 的大部分可靠性问题也就解决了。
具体的方案大体上是这样来解决：
为每个数据包增加序列号，每发一次包，增加本地序号。
每个数据包增加一段位域，用来容纳多个确认符。确认字符多少个，跟进应用的发包速率来决定，速率越高，确认字符的数量也相应越多。
每次收到包，把收到的包上序列号变为确认字符，发送包的时候带上这些确认字符。
如果从确认字符里面发现某个数据包有丢失，把它留给应用程序来编写一个包含丢失数据的新的数据包，必要的话，这个包还会用一个新的序列号发送。
针对多次收到同一包的时候可以放弃它。
游戏中常见的同步方案，有状态同步和帧同步，一般大型的 MMOARPG 都是采用状态同步，比如魔兽世界，状态同步采用 C/S 架构，所有的状态由服务器来控制，安全性比较高，但是流量比较大。
帧同步采用的是囚徒模式，所有 C 端强制采用一个逻辑帧率，从而保证输出一致，其特点是流量小，安全性比较差。
王者荣耀采用的就是帧同步，那么具体帧同步是什么，如何实现的，我们从两个地方来分解：
什么是帧率，可能没有做过 client 的同学并不是很清楚这个术语，我们从一个小例子来讲解一下。
我记得小时候有一种小人书，快速翻看就可以看到漫画上的人物会动起来。
由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面之帧率高于每秒约 10-12 帧的时候，就会认为是连贯的， 此现象称之为视觉暂留。
这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来，然后快速播放的，就像上图快速翻小人书一样。
游戏中的所有动画也是采用这种方式来渲染，只不过帧率是由 GPU 来控制，你所看到的画面都是由 GPU 一帧帧渲染的，比如 30帧/s，你所看到的画面就比较流畅了，而帧率越高你所看到的画面越流畅。
Lockstep&帧同步
帧同步可以说是通过帧率延伸过来的，你可以把一个游戏看成一个巨大的状态机，所有的参与者都采用同一个逻辑帧率来不断的向前推进。
我们看如下 2 个图：
图中是 A、B、C 三个玩家的时间轴，这个时间轴不是电脑上的本地时间，而是 A、B、C 联机时定义的一个时间轴。虚线分隔出来的时间片称为 turn，可以理解成一帧，箭头表示该玩家将自己的操作指令广播给其他玩家。
我们把一盘游戏看成一个大型的状态机，因为大家玩的是同一款的游戏，因此F是相同的，初始状态 S0 也是相同的。
在第一个 turn 结束时，所有玩家都接收到了完全一样的输入 I，注意这里的 I 不是一个值，而是包含了当前游戏中所有玩家的操作指令集合。
t1 时刻所有玩家的电脑自行计算结果。由于 F、S0 和 I 是固定的，所以每个玩家电脑上计算出的下一个状态 S1 一定是相同的。
所以通过上面的介绍我们可以知道：
我们把游戏的前进分为一帧帧，这里的帧和游戏的渲染帧率并不是一个，只是借鉴了帧的概念，自定义的帧，我们称为 turn。游戏的过程就是每一个 turn 不断向前推进，每一个玩家的 turn 推进速度一致。
每一帧只有当服务器集齐了所有玩家的操作指令，也就是输入确定了之后，才可以进行计算，进入下一个 turn，否则就要等待最慢的玩家。之后再广播给所有的玩家。如此才能保证帧一致。
Lockstep 的游戏是严格按照 turn 向前推进的，如果有人延迟比较高，其他玩家必须等待该玩家跟上之后再继续计算，不存在某个玩家领先或落后其他玩家若干个 turn 的情况。使用 Lockstep 同步机制的游戏中，每个玩家的延迟都等于延迟最高的那个人。
由于大家的 turn 一致，以及输入固定，所以每一步所有客户端的计算结果都是一致的。
我们来看看具体的执行流程：
上图中我们可以明显看到，这种囚徒模式的帧同步，在第二帧的时候，因为玩家 1 有延迟，而导致第二帧的同步时间发生延迟，从而导致所有玩家都在等待，出现卡顿现象。
乐观锁&断线重连
囚徒模式的帧同步，有一个致命的缺陷就是，若联网的玩家有一个网速慢了，势必会影响其他玩家的体验，因为服务器要等待所有输入达到之后再同步到所有的 C 端。
另外如果中途有人掉线了，游戏就会无法继续或者掉线玩家无法重连，因为在严格的帧同步的情况下，中途加入游戏从技术上来讲是非常困难的。
因为你重新进来之后，你的初始状态和大家不一致，而且你的状态信息都是丢失状态的，比如你的等级，随机种子，角色的属性信息等。
玩过早期的冰封王座的用户都知道，一旦掉线基本这局就废了，需要重开，至于为何没有卡顿的现象，因为那时解决方案都是采用局域网的方式，所以基本是没有延迟问题的。
后期为了解决这个问题，如今包括王者荣耀，服务器会保存玩家当场游戏的游戏指令以及状态信息，在玩家断线重连的时候，能够恢复到断线前的状态。
不过这个还是无法解决帧同步的问题，因为严格的帧同步，是要等到所有玩家都输入之后，再去通知广播 client 更新，如果 A 服务器一直没有输入同步过来，大家是要等着的，那么如何解决这个问题？
采用&定时不等待&的乐观方式在每次 Interval 时钟发生时固定将操作广播给所有用户，不依赖具体每个玩家是否有操作更新。
如此帧率的时钟由服务器控制，当客户端有操作的时候及时的发送服务器，然后服务端每秒钟 20-50 次向所有客户端发送更新消息，如下图：
上图中，我们看到服务器不会再等到搜集完所有用户输入再进行下一帧，而是按照固定频率来同步玩家的输入信息到每一个 C 端，如果有玩家网络延迟，服务器的帧步进是不会等待的。
比如上图中，在第二帧的时候，玩家 A 的网速慢，那么他这个时候，会被网速快的玩家给秒了（其他游戏也差不多）。
但是网速慢的玩家不会卡到快的玩家，只会感觉自己操作延迟而已。
游戏中有很多是和概率相关的，比如说技能的伤害有一定概率的暴击伤害或者折光被击等。
按照帧同步的话，基于相同的输入，每个玩家的 client 都是独立计算伤害的，那么如何保证所有电脑的暴击伤害一致呢？这个时候就需要用到伪随机了。
大部分编程语言内置库里的随机数都是利用线性同余发生器产生的，如果不指定随机种子（Random Seed），默认以当前系统时间戳作为随机种子。
一旦指定了随机种子，那么产生的随机数序列就是确定的，就是说两台电脑采用相同的随机种子，第 N 次随机的结果是一致的。
所以在游戏开始前，服务器为每个玩家分配一个随机种子，然后同步给 client，如此每个 client 在计算每个角色的技能时候，就能保证伤害是一致的。这也是多数帧同步游戏采用的方案，包括王者荣耀。
wier，乐元素 leader 软件工程师，从 2010 年起从事游戏开发，经历过页游和手游两个游戏发展期，期间曾带领团队开发过山寨机上第一款偷菜游戏，如今专注于二次元游戏领域及服务器技术研究，运维了一个游戏公众号&大码侯&，期待用自己的一点努力和贡献，推进游戏社区的前进。
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【责任编辑： TEL：（010）】
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