帧同步

帧同步技术是早期RTS游戏常用的一种同步技术，本篇文章要给大家介绍的是RTX游戏中帧同步实现，帧同步是一种前后端数据同步的方式，一般应用于对实时性要求很高的网络游戏，想要了解更多帧同步的知识，继续往下看。

一．背景

帧同步技术是早期RTS游戏常用的一种同步技术。与状态同步不同的是，帧同步只同步操作，其大部分游戏逻辑都在客户端上实现，服务器主要负责广播和验证操作，有着逻辑直观易实现、数据量少、可重播等优点。

部分PC游戏如帝国时代、魔兽争霸3、星际争霸等，Host(服务器或某客户端)只当接收到所有客户端在某帧输入数据后，才会继续执行，等待直至超时认为该客户端掉线。很明显，当部分客户端因网络或设备问题无法及时上传操作数据，会影响其它客户端的表现，造成不好的游戏体验。考虑到游戏公平竞争性，这种需要等待的机制是必需的，但并不符合手游网络环境的需求。为此，需要使用“乐观”模式，即是Host采集客户端上传操作并按固定频率广播已接收到的操作数据，不在乎部分客户端的操作数据是否上传成功，且不会影响到其它客户端的游戏表现，如图1所示。

二．剖析Unity3D

帧同步技术最基础的核心概念就是相同输入，经过相同计算过程，得出相同计算结果。按照该概念，下面将简单描述Unity3D实现帧同步时所需要改造的一些方面，Unity3D中脚本生命周期流程图如图2所示。

帧同步需要避免使用本地计时器相关数值。因此，使用Unity3D实现帧同步的过程所需注意的几点：

1. 禁用Time类相关属性及函数，如Time.deltaTime等。而使用帧时间（第N帧 X 固定频率）

2. 禁用Invoke()等函数

3. 避免在Awake()、Start()、Update()、LateUpdate()、OnDestroy()等函数中实现影响游戏逻辑判断的代码

4. 避免使用Unity3D自带物理引擎

5. 避免使用协程Coroutine

三．具体实现

对于本文的实现，有如下定义：

关键帧：服务器按固定频率广播的操作数据帧，使用唯一ID标识，主要包括客户端输入数据或服务器发送的关键信息（例如游戏开始或结束等消息）

填充帧：由于设备性能和网络延迟等原因，服务器广播频率不可能达到客户端的更新频率。若只使用关键帧来驱动游戏运作，就会造成游戏卡顿，影响体验。因此，除关键帧外，客户端需要自行添加若干空数据帧，以使游戏表现更为流畅

逻辑帧更新时间：客户端执行一帧所需时间，可根据设备性能和网络环境等因素动态变化

服务器帧更新时间：服务器广播帧数据的固定频率，一般用于帧间隔时间差的逻辑计算

3.1 主循环

帧同步要求相同的计算过程，这就涉及到两个方面，其一是顺序一致，Unity3D主循环不可控，需自定义游戏循环，统一管理游戏对象以及脚本的执行，确保所有对象更新与逻辑执行顺序完全一致。另一方面是结果一致，凡有浮点数参与的逻辑计算需要特殊处理。
class MainLoopManager : MonoBehaviour
{
bool m_start;
int m_logicFrameDelta;//逻辑帧更新时间
int m_logicFrameAdd;//累积时间

void Loop()
{
    ......//遍历所有脚本
}

void Update()
{
    if (!m_start)
        return;

    if (m_logicFrameAdd < m_logicFrameDelta)
    {
        m_logicFrameAdd += (int)(Time.deltaTime * 1000);
    }
    else
    {
        int frameNum = 0;
        while(CanUpdateNextFrame() || IsFillFrame())
        {
            Loop();//主循环
            frameNum++;
            if (frameNum > 10)
            {
                //最多连续播放10帧
                break;
            }
        }
        m_logicFrameAdd = 0;
    }
}

bool CanUpdateNextFrame();//是否可以更新至下一关键帧
bool IsFillFrame();//当前逻辑帧是否为填充帧

}
复制代码

3.2 自定义MonoBehaviour

Unity3D脚本生命周期中部分函数、Invoke、Coroutine调用时机与本地更新相关，并不满足帧同步机制的要求。我们通过继承MonoBehaviour类来实现上述函数和功能需求，并使所有涉及逻辑计算的组件都继承该自定义类。

class CustomBehaviour : MonoBehaviour
{
bool m_isDestroy = false;

public bool IsDestroy
{
    get { returnm_isDestroy; }
}

public virtual void OnDestroy() {};
 
public void Destroy(UnityEngine.Objectobj)
{

    ......//销毁游戏对象

}

}

3.2.1 Update()与LateUpdate()

从可控性和高效性两方面来看，不建议采用逐一遍历游戏对象获取CustomBehaviour的方式去调用Update()与LateUpdate()，而是单独使用列表来管理。

delegate void FrameUpdateFunc();
class FrameUpdate
{
public FrameUpdateFunc func;
public GameObject ower;
public CustomBehaviour behaviour;
}

class MainLoopManager : MonoBehaviour
{
…
List m_frameUpdateList;
List m_frameLateUpdateList;

public RegisterFrameUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
public UnRegisterFrameUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
public RegisterFrameLateUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
public UnRegisterFrameLateUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)

void Loop()
{
//先遍历m_frameUpdateList
//再遍历m_frameLateUpdateList
}
…
}

采取添加删除的方式，对组件是否需要执行Update()与LateUpdate()进行动态地管理，除了具有相对的灵活性，也保证了执行效率。

3.2.2 Invoke相关函数

Invoke、 InvokeRepeating、 CancelInvoke等函数需要使用C#中的反射机制,根据object对象obj和函数名methodName来获取MethodInfo如：

var type = obj.GetType();
MethodInfo method = type.GetMethod(methodName);

通过接口封装，组成相关数据（InvokeData），放入列表等待执行。

class InvokeData
{
public object obj;
public MethodInfo methodInfo;
public int delayTime;
public int repeatRate;
public int repeatFrameAt;
public bool isCancel = false;
}

如上述结构，delayTime用于记录延迟执行时间，repeatRate代表重复调用的频率，repeatFrameAt则标记上次调用发生的帧序号，而isCancel标记Invoke是否被取消。最后，统一使用MethodBase.Invoke(objectobj, object[] parameters)执行调用。

class MainLoopManager : MonoBehaviour
{
…
List m_invokeList;

void Loop()
{
    //先遍历m_frameUpdateList
    //再遍历m_frameLateUpdateList
    //遍历m_invokeList，并根据相关属性分别进行Invoke、 InvokeRepeating、CancelInvoke
}
......

}

3.2.3 协程Coroutine

协程Coroutine较复杂，必需采用的情况较少，本文方案未实现协程Coroutine功能，而是避免使用。

3.2.4 Destroy相关

在Destroy游戏对象或组件后，OnDestroy()将在下一帧执行。因此，需要采取可控的方式代替OnDestroy()函数完成资源的释放。

   class CustomBehaviour : MonoBehaviour
    {
        bool m_isDestroy = false;
        public bool IsDestroy
        {
            set { m_isDestroy = value; }
            get { return m_isDestroy; }
        }
        public virtual void DoDestroy() {};
        public void Destroy(UnityEngine.Object obj)
        {
            if (obj.GetType() == typeof(GameObject))
            {
                GameObject go = (GameObject)obj;
                CustomBehaviour behaviours = go.GetComponents();
                for (int i = 0; i < behaviours.Length; i++)
                {
                    behaviours[i].IsDestroy = true;
                    behaviours[i].DoDestroy();
                }
            }
            else if (obj.GetType() == typeof(CustomBehaviour))
            {
                CustomBehaviour behaviour = (CustomBehaviour)obj;
                behaviour.IsDestroy = true;
                behaviour.DoDestroy();
            }
            UnityEngine.Object.Destroy(obj);
        }
    }

3.3 Time类与随机数

帧同步游戏逻辑所有涉及时间的计算都应采用帧时间，即：当前帧序列数 * 服务器帧更新时间 /（填充帧数 + 1），而每帧随机数计算都由服务器下发种子来控制。如下：

class MainLoopManager : MonoBehaviour
{
…
int m_serverFrameDelta;//毫秒
int m_curFrameIndex;
int m_fillFrameNum;
int m_serverRandomSeed;

public int serverRandomSeed
{
    get { return m_serverRandomSeed; }
}
public int curFrameIndex
{
    get { return m_curFrameIndex; }
}
public static int curFrameTime
{
    return m_curFrameIndex * m_serverFrameDelta / (1 + m_fillFrameNum);
}
public static int deltaFrameTime
{
    return m_serverFrameDelta / (1 + m_fillFrameNum);
}
.......

}

可写入CustomBehaviour中，便于自定义Time类的调用，避免误用Unity3D的Time类，Random类同理。

class CustomBehaviour : MonoBehaviour
{
protected class Time
{
public static Fix time
{
get { return (Fix)MainLoopManager.curFrameTime / 1000; }
}

    public static Fix deltaTime
    {
        get { return (Fix)MainLoopManager.deltaFrameTime / 1000; }
    }
}

protected class Random
{
    public static Fix Range(Fix min, Fix max)
    {
        Fix diff = max - min;
        Fix seed = MainLoopManager.serverRandomSeed;
        return min + (int)FixMath.Round(diff * (seed / 100));
    }
}

}

其中Fix是定点数，3.4小节会简单描述如何将定点数运用在Unity3D中。本文实现中约定随机种子范围在0-100之间，并采用简单的计算方式。如有特殊需求，自行实现。

3.4 定点数

比较简单的方式是，在原来浮点数的基础上乘1000或10000，对应地方除以1000或10000
其中FP，就可以完全代替Float，我们只需要将我们自己的逻辑部分，Float等改造为FP，TSVector对应Vector3
Photon网络的早期版本，Truesync

客户端必须保证对网络帧操作的运算过程和结果一致，然而不同系统平台对浮点数的处理有差别，即便差别甚微，也会造成“蝴蝶效应”，导致不同步现象出现。绝大多数情况下，只需要对游戏对象方位进行定点数改造即可。而Unity3D并非开源游戏引擎，无法对底层transform的position和rotation进行修改。因此，逻辑层计算时需要使用到自定义以定点数为基础的position和rotation，并在每次循环结束之前，将自定义的方位逻辑计算之后所得信息转化Unity3D transform，以便Unity3D更新表现层。使用Unity3D的协同功能Coroutine以及WaitForEndOfFrame()可满足上述需求，即在逻辑层计算完成后，在Unity3D渲染之前更新底层transform的position和rotation。

3.5 网络波动

帧同步机制下，玩家输入发送到网络，所有响应都必须要等网络逻辑帧才能进行处理。理想环境下，网络帧操作接收到的频率是固定的，能保证客户端表现正常不卡顿。但事实是，绝大多数情况下网络都是不稳定的，时快时慢难以预测。最简单的方案就是建立一个网络逻辑帧的缓冲区，设置一个缓冲区上限，当存入缓存区的帧数满足上限之后，按照固定频率播放。若缓冲区变空，等待其重新填满。通过累积网络逻辑帧延迟，平均分布到固定频率，平滑处理了网络波动造成的卡顿。

3.6 丢帧处理

由于TCP的丢包重传机制会导致较大的延迟，大多数情况下，帧同步都采用UDP协议进行网络通信，这就意味着需要自行解决丢包问题。

预防：关键帧数据包里携带前面两帧的数据，可大大降低丢包率，但会带来冗余的增加。因此，值得注意的是不能使用UDP数据包过大，否则部分路由器会在组合UPD分组时发生错误，建议不超过Internet标准MTU尺寸576byte。

补救：虽然上述方案能起到预防丢帧的作用，仍然无法避免丢帧问题。在出现丢帧问题时，需要客户端根据所需帧序号主动向服务器请求关键帧，包括单帧请求和批量帧请求。为了保证能够获取到所需关键帧，建议采用TCP协议。

四．结束语

上述内容都是基于《全民XXX》帧同步机制，是对实现过程中所面临难题的总结。在此分享，希望对他人有所帮助。由于作者技术和写作水平有限，若有更好的意见或错误的地方，欢迎指导。

http://www.360doc.com/content/17/0424/15/6432946_648246185.shtml
https://blog.csdn.net/UWA4D/article/details/81486242
http://www.sohu.com/a/153269736_163917