Unity3d实现帧同步

第一部分

在帧同步模型中，每个客户端都会对整个游戏世界进行模拟。这种方法的好处在于减少了需要发送的信息。帧同步只需要发送用户的输入信息，而对于反过来的中心服务器模型来说，单位的信息则发送越频繁越好。

比如说你在游戏世界中移动角色。在中心服务器模型中，物理模拟只会在服务器执行。客户端告诉服务器，角色要往哪个方向移动。服务器会执行寻路而且开始移动角色。服务器紧接着就会尽可能频繁地告知每个客户端该角色的位置。对于游戏世界中的每个角色都要运行这样的过程。对于实时策略游戏来说，同步成千上万的单位在中心服务器模型中几乎是不可能的任务。

在帧同步模型中，在用户决定移动角色之后，就会告诉所有客户端。每个客户端都会执行寻路以及更新角色位置。只有用户输入的时候才需要通知每个客户端，然后每个客户端都会自己更新物理以及位置。

这个模型带来了一些问题。每个客户端的模拟都必须执行得一模一样。这意味着，物理模拟必须执行同样的更新次数而且每个动作都需要同样的顺序执行。如果不这么做，其中一个客户端就会跑在其他客户端之前或者之后，然后在新的命令发出之后，跑得太快或者太慢的客户端走出的路径就会不同。这些不同会根据不同的游戏玩法而不同。

另一个问题就是跨不同的机器和平台的确定性问题。计算上很小的不同都会对游戏造成蝴蝶效应。这个问题会在后续的文章中讲到。

这里的实现方案灵感来自于这篇文章：《1500个弓箭手》。每个玩家命令都会在后续的两个回合中执行。在发送动作与处理动作之间存在延迟有助于对抗网络延迟。这个实现还给我们留下了根据延迟以及机器性能动态调整每回合时长的空间。这部分在这里先不讨论，会在后续文章再说。

对于这个实现，我们有如下定义：

帧同步回合：帧同步回合可以由多个游戏回合组成。玩家在一个帧同步回合执行一个动作。帧同步回合长度会根据性能调整。目前硬编码为200ms。

游戏回合：游戏回合就是游戏逻辑和物理模拟的更新。每个帧同步回合拥有的游戏回合次数是由性能控制的。目前硬编码为50ms，也就是每次帧同步回合有4次游戏回合。也就是每秒有20次游戏回合。

动作：一个动作就是玩家发起的一个命令。比如说在某个区域内选中单位，或者移动选中单位到目的地。

注意：我们将不使用unity3d的物理引擎。而是使用一个确定性的自定义引擎。在后续文章中会有实现。

游戏主循环

Unity3d的循环是运行在单线程下的。可以通过在这两个函数插入自定义代码：
Update()
FixedUpdate()

Unity3d的主循环每次遍历更新都会调用Update()。主循环会以最快速度运行，除非设置了固定的帧率。FixedUpdate()会根据设置每秒执行固定次数。在主循环遍历中，它会被调用零次或多次，取决于上次遍历所花费的时间。FixedUpdate()有着我们想要的行为，就是每次帧同步回合都执行固定时长。但是，FixedUpdate()的频率只能在运行之前设置好。而我们希望可以根据性能调节我们的游戏帧率。

游戏帧回合
这个实现有着与FixedUpdate()在Update()函数中执行所类似的逻辑。主要不同的地方在于，我们可以调整频率。这是通过增加”累计时间”来完成的。每次调用Update()函数，上次遍历所花费的时间会添加到其中。这就是Time.deltaTime。如果累计时间大于我们的固定游戏回合帧率(50ms)，那么我们就会调用gameframe()。我们每次调用gameframe()都会在累计时间上减去50ms，所以我们一直调用，知道累计时间小于50ms。

private float AccumilatedTime = 0f;
private float FrameLength = 0.05f; //50 miliseconds

//called once per unity frame
public void Update() {
    //Basically same logic as FixedUpdate, but we can scale it by adjusting FrameLength
    AccumilatedTime = AccumilatedTime + Time.deltaTime;

    //in case the FPS is too slow, we may need to update the game multiple times a frame
    while(AccumilatedTime > FrameLength) {
        GameFrameTurn ();
        AccumilatedTime = AccumilatedTime - FrameLength;
    }
}

我们跟踪当前帧同步回合中游戏帧的数量。每当我们在帧同步回合中达到我们想要的游戏回合次数，我们就会更新帧同步回合到下一轮。如果帧同步还不能到下一轮，我们就不能增加游戏帧，而且我们会在下一次同样执行帧同步检查。

private void GameFrameTurn() {
    //first frame is used to process actions
    if(GameFrame == 0) {
        if(LockStepTurn()) {
            GameFrame++;
        }
    } else {
        //update game

        //...

        GameFrame++;
        if(GameFrame == GameFramesPerLocksetpTurn) {
            GameFrame = 0;
        }
    }
}

在游戏回合中，物理模拟会更新而且我们的游戏逻辑也会更新。游戏逻辑是通过接口(IHasGameFrame)来实现的，而且添加这个对象到集合中，然后我们就可以进行遍历。

private void GameFrameTurn() {
    //first frame is used to process actions
    if(GameFrame == 0) {
        if(LockStepTurn()) {
            GameFrame++;
        }
    } else {
        //update game
        SceneManager.Manager.TwoDPhysics.Update (GameFramesPerSecond);

        List<ihasgameframe> finished = new List<ihasgameframe>();
        foreach(IHasGameFrame obj in SceneManager.Manager.GameFrameObjects) {
            obj.GameFrameTurn(GameFramesPerSecond);
            if(obj.Finished) {
                finished.Add (obj);
            }
        }

        foreach(IHasGameFrame obj in finished) {
            SceneManager.Manager.GameFrameObjects.Remove (obj);
        }

        GameFrame++;
        if(GameFrame == GameFramesPerLocksetpTurn) {
            GameFrame = 0;
        }
    }
}

IHasGameFrame接口有一个方法叫做GameFrameTurn，它以当前每秒游戏帧的个数为参数。一个具体的带游戏逻辑的对象应该基于GameFramesPerSecond来计算。比如说，如果一个单位正在攻击另一个单位，而且他攻击频率为每秒钟10点伤害，你可能会通过将它除以GameFramesPerSecond来添加伤害。而GameFramesPerSecond会根据性能进行调整。

IHasGameFrame接口也有属性标记着结束。这使得实现IHasGameFrame的对象可以通知游戏帧循环自己已经结束。一个例子就是一个对象跟着路径行走，而在到达目的地之后，这个对象就不再需要了。

帧同步回合

为了与其他客户端保持同步，每次帧同步回合我们都要问以下问题：
我们已经收到了所有客户端的下一轮动作了吗？
每个客户端都确认得到我们的动作了吗？

我们有两个对象，ConfirmedActions和PendingActions。这两个都有各自可能收到消息的集合。在我们进入下一个回合之前，我们会检查这两个对象。

private bool NextTurn() {       
    if(confirmedActions.ReadyForNextTurn() && pendingActions.ReadyForNextTurn()) {
        //increment the turn ID
        LockStepTurnID++;
        //move the confirmed actions to next turn
        confirmedActions.NextTurn();
        //move the pending actions to this turn
        pendingActions.NextTurn();

        return true;
    }

    return false;
}

动作

动作，也就是命令，都通过实现IAction接口来通信。有着一个无参数函数叫做ProcessAction()。这个类必须为Serializable。这意味着这个对象的所有字段也是Serializable的。当用户与UI交互，动作的实例就会创建，然后发送到我们的帧同步管理器的队列中。队列通常在游戏太慢而用户在一个帧同步回合中发送多于一个命令的时候用到。虽然每次只能发送一个命令，但没有一个会忽略。

当发送动作到其他玩家的时候，动作实例会序列化为字节数组，然后被其他玩家反序列化。一个默认的”非动作”对象会在用户没有执行任何操作的时候发送。而其他则会根据特定游戏逻辑而定。这里是一个创建新单位的动作：

using System;
using UnityEngine;

[Serializable]
public class CreateUnit : IAction
{
    int owningPlayer;
    int buildingID;

    public CreateUnit (int owningPlayer, int buildingID) {
        this.owningPlayer = owningPlayer;
        this.buildingID = buildingID;
    }

    public void ProcessAction() {
        Building b = SceneManager.Manager.GamePieceManager.GetBuilding(owningPlayer, buildingID);
        b.SpawnUnit();
    }
}

这个动作会依赖于SceneManager的静态引用。如果你不喜欢这个实现，可以修改IAction接口，使得ProcessAction接收一个SceneManager实例。

实例代码可以在这里找到：Bitbucket – Sample Lockstep

第二部分

概览

在上次实现的帧同步模型当中，游戏帧率和通信频率(也就是帧同步长度)长度是固定间隔的。但实际上，每个玩家的延迟和性能都不同的。在update中会跟踪两个变量。第一个是玩家通信的时长。第二个则是游戏的性能时长。

移动平均数

为了处理延迟上的波动，我们想快速增加帧同步回合的时长，同时也想在低延迟的时候减少。如果游戏更新的节奏能够根据延迟的测量结果自动调节，而不是固定值的话，会使得游戏玩起来更加顺畅。我们可以累加所有的过去信息得到”移动平均数”，然后根据它作为调节的权重。

每当一个新值大于平均数，我们会设置平均数为新值。这会得到快速增加延迟的行为。当值小于当前平均值，我们会通过权重处理该值，我们有以下公式：

newAverage=currentAverage?(1–w)+newValue?(w)
其中0

在我的实现中，我设置w=0.1。而且还会跟踪每个玩家的平均数，而且总是使用所有玩家当中的最大值。这里是增加新值的方法：

public void Add(int newValue, int playerID) {
    if(newValue > playerAverages[playerID]) {
        //rise quickly
        playerAverages[playerID] = newValue;
    } else {
        //slowly fall down
        playerAverages[playerID] = (playerAverages[playerID] * (9) + newValue * (1)) / 10;
    }
}

为了保证计算结果的确定性，计算只使用整数。因此公式调整如下：

newAverage=(currentAverage?(10–w)+newValue?(w))/10
其中0

而在我的例子中，w=1。

运行时间平均数

每次游戏帧更新的时间是由运行时间平均数决定的。如果游戏帧要变得更长，那么我们需要降低每次帧同步回合更新游戏帧的次数。另一方面，如果游戏帧执行得更快了，每次帧同步回合可以更新游戏帧的次数也多了。对于每次帧同步回合，最长的游戏帧会被添加到平均数中。每次帧同步回合的第一个游戏帧都包含了处理动作的时间。这里使用Stopwatch来计算流逝的时间。

rivate void ProcessActions() {
    //process action should be considered in runtime performance
    gameTurnSW.Start ();

    ...

    //finished processing actions for this turn, stop the stopwatch
    gameTurnSW.Stop ();
}

private void GameFrameTurn() {
   ...

    //start the stop watch to determine game frame runtime performance
    gameTurnSW.Start();

    //update game
    ...

    GameFrame++;
    if(GameFrame == GameFramesPerLockstepTurn) {
        GameFrame = 0;
    }

    //stop the stop watch, the gameframe turn is over
    gameTurnSW.Stop ();
    //update only if it's larger - we will use the game frame that took the longest in this lockstep turn
    long runtime = Convert.ToInt32 ((Time.deltaTime * 1000))/*deltaTime is in secounds, convert to milliseconds*/ + gameTurnSW.ElapsedMilliseconds;
    if(runtime > currentGameFrameRuntime) {
        currentGameFrameRuntime = runtime;
    }

    //clear for the next frame
    gameTurnSW.Reset();
}

注意到我们也用到了Time.deltaTime。使用这个可能会在游戏以固定帧率执行的情况下与上一帧时间重叠。但是，我们需要用到它，这使得Unity为我们所做的渲染以及其他事情都是可测量的。这个重叠是可接受的，因为只是需要更大的缓冲区而已。

网络平均数

拿什么作为网络平均数在这里不太明确。我最终使用了Stopwatch计算从玩家发送数据包到玩家确认动作的时间。这个帧同步模型发送的动作会在未来两个回合中执行。为了结束帧同步回合，我们需要所有玩家都确认了这个动作。在这之后，我们可能会有两个动作等待对方确认。为了解决这个问题，用到了两个Stopwatch。一个用于当前动作，另一个用于上一个动作。这被封装在ConfirmActions类当中。当帧同步回合往下走，上一个动作的Stopwatch会成为这一个动作的Stopwatch，而旧的”当前动作Stopwatch”会被复用作为新的”上一个动作Stopwatch”。

public class ConfirmedActions
{
...
    public void NextTurn() {
        ...
        Stopwatch swapSW = priorSW;

        //last turns actions is now this turns prior actions
        ...
        priorSW = currentSW;

        //set this turns confirmation actions to the empty array
        ...
        currentSW = swapSW;
        currentSW.Reset ();
    }
}

每当有确认进来，我们会确认我们接收了所有的确认，如果接收到了，那么就暂停Stopwatch。

public void ConfirmAction(int confirmingPlayerID, int currentLockStepTurn, int confirmedActionLockStepTurn) {
    if(confirmedActionLockStepTurn == currentLockStepTurn) {
        //if current turn, add to the current Turn Confirmation
        confirmedCurrent[confirmingPlayerID] = true;
        confirmedCurrentCount++;
        //if we recieved the last confirmation, stop timer
        //this gives us the length of the longest roundtrip message
        if(confirmedCurrentCount == lsm.numberOfPlayers) {
            currentSW.Stop ();
        }
    } else if(confirmedActionLockStepTurn == currentLockStepTurn -1) {
        //if confirmation for prior turn, add to the prior turn confirmation
        confirmedPrior[confirmingPlayerID] = true;
        confirmedPriorCount++;
        //if we recieved the last confirmation, stop timer
        //this gives us the length of the longest roundtrip message
        if(confirmedPriorCount == lsm.numberOfPlayers) {
            priorSW.Stop ();
        }
    } else {
        //TODO: Error Handling
        log.Debug ("WARNING!!!! Unexpected lockstepID Confirmed : " + confirmedActionLockStepTurn + " from player: " + confirmingPlayerID);
    }
}

发送平均数

为了让一个客户端向其他客户端发送平均数，Action接口修改为一个有两个字段的抽象类。

[Serializable]
public abstract class Action
{
    public int NetworkAverage { get; set; }
    public int RuntimeAverage { get; set; }

    public virtual void ProcessAction() {}
}

每当处理动作，这些数字会加到运行平均数。然后帧同步回合以及游戏帧回合开始更新

private void UpdateGameFrameRate() {
    //log.Debug ("Runtime Average is " + runtimeAverage.GetMax ());
    //log.Debug ("Network Average is " + networkAverage.GetMax ());
    LockstepTurnLength = (networkAverage.GetMax () * 2/*two round trips*/) + 1/*minimum of 1 ms*/;
    GameFrameTurnLength = runtimeAverage.GetMax ();

    //lockstep turn has to be at least as long as one game frame
    if(GameFrameTurnLength > LockstepTurnLength) {
        LockstepTurnLength = GameFrameTurnLength;
    }

    GameFramesPerLockstepTurn = LockstepTurnLength / GameFrameTurnLength;
    //if gameframe turn length does not evenly divide the lockstep turn, there is extra time left after the last
    //game frame. Add one to the game frame turn length so it will consume it and recalculate the Lockstep turn length
    if(LockstepTurnLength % GameFrameTurnLength > 0) {
        GameFrameTurnLength++;
        LockstepTurnLength = GameFramesPerLockstepTurn * GameFrameTurnLength;
    }

    LockstepsPerSecond = (1000 / LockstepTurnLength);
    if(LockstepsPerSecond == 0) { LockstepsPerSecond = 1; } //minimum per second

    GameFramesPerSecond = LockstepsPerSecond * GameFramesPerLockstepTurn;

    PerformanceLog.LogGameFrameRate(LockStepTurnID, networkAverage, runtimeAverage, GameFramesPerSecond, LockstepsPerSecond, GameFramesPerLockstepTurn);
}

更新：支持单个玩家

自从本文发出以来，增加了单人模式得支持。

特别感谢redstinggames.com的Dan提供。可以在以下看到修改：Single Player Update diff

源代码：Source code on bitbucket – Dynamic Lockstep Sample

原文：

Lockstep Implementation in Unity3D - Part 1

Lockstep Implementation in Unity3D - Part 2