简单状态同步在Unity使用的学习小结

222000305陈宇焜学生 2023-06-05 17:56:09

多人在线游戏需要同步玩家数据，许多公司都拥有至少一款此类游戏。对于状态同步，首先需要掌握两层的设计架构思想以及计算机网络的原理，其难点在于：1. 网络延迟。2. 数据量.3. 安全性。
状态同步和帧同步的不同这里不做额外说明，可在参考资料中了解。

二、技术详述

这里不涉及客户端的本地服务器和服务端的实现，只涉及对状态同步的学习小结，包括角色的添加/删除/更新，并省略Debug与校验等工作。

客户端

为了实现和使用状态同步，首先要应用ECS架构对实体进行设计，将数据与操作分离，并维护一个实体的管理器，方便对从服务端接收的实体数据进行更新，所学的客户端的一种实现如下：

在图中，客户端的服务监听服务端发送的实体数据，根据类型可分为实体的生成与销毁、实体更新两类操作。
- 当需要增加角色时，首先更新CharacterManager中维护的角色定义数据Dictionary(策划所配的表)，
  CharacterManager.AddCharacter()：
```
    Character character = new Character(cha);
      this.Characters[cha.Id] = character;
```
  调用EntityManager添加新的游戏实体，
  CharacterManager.AddCharacter()：
```
    EntityManager.Instance.AddEntity(character);
```
  同时，需要在地图中生成对应的角色，通过GameObjectManager统一管理所有的游戏对象并根据预制体生成。由于层次结构的设计，Manager层只关心同层的其他Manager，而不直接与GameObjectManager(处于实体层)交互，通过事件进行解耦。
  CharacterManager.AddCharacter()：
```
        if(OnCharacterEnter!=null)
        {
            // 定义的公共委托，GameObjectManager注册其生成方法
            OnCharacterEnter(character);
        }
```
  这里要注意的是，网络中传输整个表数据会浪费带宽，因此传输的时表内容的Id属性，客户端拥有角色定义，根据Id使用不同的角色信息，但我认为会遭到数据篡改，因此可能需要进行额外的安全性校验。
  另外，玩家多次进入与离开可能会产生多次游戏对象的创建/删除工作，可以使用对象池优化。
  具体何时调用增加/删除/更新操作，此处不做探讨。删除的思路和添加同理。
- 当只需要更新数据时，则不需要通过CharacterManager，可直接调用EntityManager，进而同步对应的游戏对象，因为不需要增加与删除操作，同时也与实体层进行解耦，具体流程和上述过程类似。
  MapService：
```
private void OnMapEntitySync(object sender,MapEntitySyncResponse response)
    {
        foreach(var entity in response.entitySyncs)
        {
            Managers.EntityManager.Instance.OnEntitySync(entity);
        }
    }
```
  EntityManager.OnEntitySync：
```
                if (notifiers.ContainsKey((int)data.Id))
                {
                    // 基于接口的观察者模式，调用字典中注册的处理者来更新数据
                    notifiers[entity.entityId].OnEntityChanged(entity);
                    notifiers[entity.entityId].OnEntityEvent(data.Event);
                }
```

服务端

服务端的同步工作，是保存客户端发来的状态信息并转发，所以实际操作和客户端类似，只不过不需要渲染出真正的游戏对象，所以只需要维护一份角色数据，在角色刚进入游戏时即可在CharacterManager中创建，只需要更新状态信息，并需要向其他客户端发送所更新的信息。
- 当收到客户端发送的添加角色请求，分为进入游戏与进入地图两个阶段，进入游戏时和客户端一样，交给CharacterManager-》EntityManager生成新的角色数据，并返回给客户端所生成的角色数据，保证一定的安全性，这里是独立的。
- 而进入游戏后，进入地图时，又会让MapService接收到信息，将character信息交给MapManager处理：
  MapService:
```
       MapManager.Instance[request.mapId].CharacterEnter(sender, character);
```
  Map：
```
        // 向Response添加需要增加的角色
        message.Response.mapCharacterEnter.Characters.Add(character.Info);
        // 添加地图中的其他角色并向其他玩家告知角色增加
        foreach (var kv in this.MapCharacters)
        {

            // 添加地图中的其他角色
            message.Response.mapCharacterEnter.Characters.Add(kv.Value.character.Info);
            // 向这个角色告知角色添加至地图
            this.SendCharacterEnterMap(kv.Value.connection, character.Info);
        }
```

当收到客户端发送的状态更新请求：

MapService回调更新请求的角色
MapService：

    void OnMapEntitySync(NetConnection<NetSession> sender, MapEntitySyncRequest request)
    {
        Character character=sender.Session.Character;
        // 更新对应地图Map中的信息
        MapManager.Instance[character.Info.mapId].UpdateEntity(request.entitySync);
    }

Map：

    internal void UpdateEntity(NEntitySync entitySync)
    {
        // 遍历当前地图的角色
        foreach (var character in this.MapCharacters)
        {  
            // 如果是需要更新的角色则更新
            if (character.Value.character.entityId == entitySync.Id)
            {
                // 更新位置、方向等
                ……
            }
            else
            {
                // 如果是其他客户端的角色，则直接发送更新消息
                MapService.Instance.SendEntityUpdate(character.Value.connection, entitySync);
            }
        }
    }

三、学习问题总结与解决

实现的同步功能比较基础，未进行难点的实现，故没有遇到较大困难。

服务端如何管理角色不同数据？

由于客户端所生成的角色定义是服务端传递的，故在角色刚进入游戏时，会依次发送两次请求

进入游戏请求
- 在这个请求处理时，服务器接收客户端传递的角色数据id，并在服务端维护一份对应的数据，而角色离开时又会从中移除，这份数据保存了角色的数据库信息、存档、道具等。
进入地图请求
- 根据目前所见，进入地图时，服务端将角色的同步数据交给另一条数据流处理，这条数据流将频繁地更新数据，所以独立于其他数据进行处理。

对优化的思考

优化网络传输
- 使用算法优化网络的传输效率，如对消息进行序列化与反序列化(protobuf)、减少字符串的传输等。
- 客户端实现状态的预测，根据上次状态和本次状态预测分析下一次的状态来减少延迟（所以怎么预测？）

四、总结

状态同步需要同步客户端的状态数据，如位置、状态、伤害等，其主要逻辑在服务端，但也有些状态同步基于客户端，比如小型的联机游戏。
状态同步虽然只是网络游戏中的一种同步方式，想要完全掌握还是很复杂，特别是要考虑网络的各种情况，需要一定的经验。而其他的同步方式比如帧同步、状态帧同步，似乎水更是深。作为一名客户端程序，也要明白其大概模型才能更好的和后端人员沟通。