摘要: 隨著網(wǎng)絡游戲玩家的日益增多，網(wǎng)絡游戲服務器端承受著嚴峻的性能考驗和負載壓力。為了提供良好的服務品質(zhì)，網(wǎng)絡游戲服務器端的設(shè)計顯得尤其重要。進行游戲服務器端網(wǎng)絡通信架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析，對于游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞: 網(wǎng)絡游戲;服務器端;通信架構(gòu)

1網(wǎng)絡游戲服務器概述

1.1 網(wǎng)絡游戲服務器的基本需求

網(wǎng)絡游戲是一種比較典型的分布式實時互動的網(wǎng)絡應用。在過去幾年里面，有三種都屬于實時交互的網(wǎng)絡應用，它們之間截然不同，但互聯(lián)網(wǎng)上的地位卻非常突出:(1)軍事模擬類應用;(2)網(wǎng)絡虛擬環(huán)境;(3)大規(guī)模多人在線游戲(MMOG)。調(diào)查分析表明，現(xiàn)今的娛樂業(yè)在 MMOG 上，包括手機游戲和在線游戲上，都進行了大量的投資。

從其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來看，MMOG和其他類的多媒體應用不同，有非常不同的特征。在MMOG當中，用戶需要與很多事物進行交互，因此就需要在網(wǎng)絡上傳遞產(chǎn)生相當數(shù)量的控制信息。玩家在MMOG游戲中娛樂的過程中必須保證流暢的游戲畫面和動作，這也就要求游戲的事件數(shù)據(jù)必須能夠在指定的間隔時間范圍內(nèi)到達。

1.2網(wǎng)絡游戲服務器的設(shè)計要求

快速響應用戶。整個系統(tǒng)應該設(shè)法隱藏固有網(wǎng)絡延時，快速響應用戶，保證用戶操作流暢。

提高通信效率。系統(tǒng)應當設(shè)計適當?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，以降低網(wǎng)絡通信量，使帶寬不至于成為某些客戶端的性能瓶頸。

設(shè)計高效的并發(fā)系統(tǒng)。在C/S模型中，服務器節(jié)點維護整個世界狀態(tài)，處理所有客戶端請求，成為系統(tǒng)的關(guān)節(jié)點。因此，客觀上要求服務器具有高并發(fā)性，應當可以同時接受大量用戶連接，同時能夠有效隔離錯誤，為所有用戶提供穩(wěn)定的后臺支持。

服務的分布。單臺服務器處理能力有限，可以承受的用戶量有極限。隨著客戶端的大量增加，服務器節(jié)點將需要巨大的計算能力和存儲能力，因此需要把服務分布在一個基于某種策略的服務器集群上。

2網(wǎng)絡游戲服務器系統(tǒng)層次框架

網(wǎng)絡游戲服務器體系從功能上可以劃分成幾個較為獨立的子系統(tǒng)模塊，通信部分位于體系的最底層，它向上層提供具體的業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，連接服務器與客戶端的交互。一個良好的設(shè)計應該盡量減少模塊間的耦合度，結(jié)合系統(tǒng)特性運用設(shè)計模式力求封裝變化，以使整體架構(gòu)具有較好的可擴展性和可維護性。

網(wǎng)絡游戲通常設(shè)計為C/S結(jié)構(gòu)，客戶端只對非敏感數(shù)據(jù)進行簡單的邏輯處理，從游戲虛擬世界的角度來看，客戶端只是一個觀察世界的窗口，玩家通過觀察并與世界實體比如 NPC(Non-player character)、其他玩家進行交互。服務器從玩家那里接收到操作信息，進行處理后發(fā)回客戶端，經(jīng)客戶端通過圖形化處理，給玩家呈現(xiàn)出一個繽紛的游戲世界。

就服務器端而言，位于最底層的是網(wǎng)絡層(Network Layer)，用于在因特網(wǎng)上傳遞客戶和服務進程之間的消息數(shù)據(jù)包。游戲邏輯層(Logic Layer)則對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，同時負責保持客戶與服務器游戲狀態(tài)空間的一致性。表現(xiàn)層(ExpressLayer)對這個狀態(tài)空間的場景對象進行物理表示(Physical Expression)，便于服務器端的管理人員監(jiān)視和實時分析等，考慮服務器負擔和主要職責問題，一般表現(xiàn)層做得非常簡單，均可以根據(jù)配置信息決定是否加載該層的相關(guān)模塊。

而客戶端中，網(wǎng)絡層負責與服務器進行通信，與服務器網(wǎng)絡層比較，其通信要求相對很低;游戲邏輯層則負責處理客戶端的行為邏輯以及非玩家角色的 AI 控制等;表示層的實現(xiàn)相對于服務器來說要復雜得多，采用專業(yè)的 2D 或者 3D 引擎技術(shù)展現(xiàn)絢爛的圖形畫面，伴以音頻等，以給玩家?guī)磔^好的游戲體驗。由于玩家需要與游戲虛擬世界進行交互，因而在表示層之上增加交互層以處理玩家的輸入控制等。

(1)網(wǎng)絡層(Network Layer)

網(wǎng)絡層負責游戲網(wǎng)絡消息的發(fā)送和接收，消息的加解密以及底層的網(wǎng)絡通信，包括 NetworkIO、Decrypt/Encrypt 和 Messenger。接收客戶請求的數(shù)據(jù)并進行解密處理，傳遞給上層協(xié)議解釋后轉(zhuǎn)換成業(yè)務消息發(fā)送給邏輯層，將經(jīng)邏輯層處理業(yè)務后的產(chǎn)生的響應回包加密，然后發(fā)送給客戶。

邏輯層(Logic Layer)。邏輯層中 Governor 為中央控制模塊，對各個子模塊進行管理控制，負責服務器端不同模塊的消息傳送，控制游戲的主時鐘，由 Governor 控制的子模塊包括:Authentication，World， Rule controller， AI controller， Command Script 和 Configuration等。其中，Authentication 主要負責用戶身份的驗證，User Database 存儲用戶的基本資料，包括用戶 ID、密碼、用戶姓名和游戲中角色的數(shù)據(jù)等;World， Rule controller和 AI controller 共同維護游戲狀態(tài)空間，檢測玩家請求的有效性并模擬非玩家角色 NPC 的行為;Command Script 和 Configuration 則提供服務器參數(shù)的配置并根據(jù)需要通過命令改變服務器中的一些行為規(guī)則等。

表示層(Express Layer)。表示層根據(jù)配置信息決定是否加載，其中 World Simulate 用于模擬游戲狀態(tài)空間，觀察玩家行為;Stat.Analyse則是抓取整個系統(tǒng)的快照，查看當前運行情況，分析服務質(zhì)量等。三個層次負責各自的功能，共同協(xié)作向客戶提供服務。

3通信系統(tǒng)功能需求

網(wǎng)絡游戲作為一種分布式系統(tǒng)，絕大部分都采用 C/S 模式，通常具有幾千至幾十萬人同時在線的承載能力。游戲平臺為了保證游戲的性能，需要滿足以下的要求:

響應時間及時性。從用戶的忍受程度以及游戲運行的流暢性角度考慮，服務器對用戶要求的響應時間以及服務器對數(shù)據(jù)庫的操作時間都應該限定在一個范圍之內(nèi)。不同的游戲其客戶端響應時間要求不同，這也跟客戶與服務端請求響應的處理機制相關(guān)。一般響應時間不應超過200ms。

可伸縮性。可伸縮性在本文中指游戲世界中可同時在線的玩家數(shù)量。大規(guī)模網(wǎng)絡游戲和WEB 站點相似，使用情況可能是不可預料的、是動態(tài)增加的，如果系統(tǒng)不是可伸縮的將會崩潰。實踐證明，對于 3000 人以內(nèi)的游戲世界狀態(tài)維護，采用單機系統(tǒng)達到很好的效果，而在線的玩家數(shù)量達到萬人以上時，當前解決可伸縮性的主要方法是設(shè)置多服務器或者服務器集群。

穩(wěn)定性、可靠性。網(wǎng)絡游戲運營是一種7×24小時不間斷的業(yè)務，由于網(wǎng)絡游戲應用具有不平穩(wěn)、變化幅度大的特點，例如在節(jié)假日網(wǎng)絡游戲訪問量就會快速增長，過后又會突然回落，因此服務器必須要能夠很好地解決這種突發(fā)性的不平穩(wěn)和間歇。如果由于服務器失敗而使游戲會話終止，那么就會影響玩家對服務器的信任度，因此可靠性對于網(wǎng)絡游戲的服務器來說很重要。

可擴展性和可維護性。采用可擴充的框架結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的游戲開發(fā)接口，分離游戲平臺與游戲邏輯，使得開發(fā)者只須專注游戲邏輯的開發(fā)，減少了公共功能(通訊、計費、社區(qū)、游戲大廳等)的重復開發(fā)。這樣有利于系統(tǒng)的業(yè)務功能升級，以及增加平臺中運行游戲的數(shù)量，還可以輕松實現(xiàn)對所有系統(tǒng)資源的管理和維護。

4通信體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1功能劃分

網(wǎng)絡 I/O。網(wǎng)絡 I/O 負責完成端口的創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和銷毀操作，以及 I/O 工作線程的啟動等。

Socket 監(jiān)聽。Socket 監(jiān)聽負責服務器端監(jiān)聽 Socket 的創(chuàng)建過程，根據(jù)預定義規(guī)則接受或者拒絕客戶的連接請求。

會話管理。游戲會話記錄了游戲客戶實體的所有信息，包括網(wǎng)絡連接信息、角色活動狀態(tài)等，會話管理負責游戲會話的創(chuàng)建、更新以及銷毀，以及空閑會話的檢查。

協(xié)議轉(zhuǎn)換。這里的協(xié)議指的是協(xié)議數(shù)據(jù)，游戲中客戶端與服務器雙方通信的應用層業(yè)務數(shù)據(jù)，作為游戲邏輯的中介，也稱為游戲數(shù)據(jù)包。協(xié)議轉(zhuǎn)換提供統(tǒng)一的協(xié)議解釋機制以及協(xié)議數(shù)據(jù)包的分拆與重組操作，以實現(xiàn)具體業(yè)務到協(xié)議數(shù)據(jù)包的相互轉(zhuǎn)換，同時對數(shù)據(jù)包進行加解密操作。

線程池。線程池用在游戲邏輯處理部分，主要負責管理線程的生成，結(jié)束和分配任務等工作，線程池相當于一個容器，在容器中運行很多個線程，系統(tǒng)只需將工作交給線程池，由線程池負責協(xié)調(diào)和分配內(nèi)部工作。線程池對外界屏蔽了內(nèi)部線程的調(diào)度運行，其對外界相當于一個整體部分。

輔助結(jié)構(gòu)。輔助結(jié)構(gòu)包括體系中用來緩沖的各種隊列，如接收隊列、發(fā)送隊列、請求隊列以及響應隊列，通過隊列緩沖同步操作與異步操作之間的數(shù)據(jù)傳遞。另一個輔助結(jié)構(gòu)則是內(nèi)存池，預先分配內(nèi)存以供通信系統(tǒng)使用，在一定程度上改善系統(tǒng)效率和降低系統(tǒng)資源的開銷。

參考文獻

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