文/Enuma

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，且不会影响到客户端的游戏表现，如图1所示。

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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。

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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。

  1. class MainLoopManager : MonoBehaviour
  2. {
  3. bool m_start;
  4. int m_logicFrameDelta;//逻辑帧更新时间
  5. int m_logicFrameAdd;//累积时间
  6.  
  7. void Loop()
  8. {
  9. ......//遍历所有脚本
  10. }
  11.  
  12. void Update()
  13. {
  14. if (!m_start)
  15. return;
  16.  
  17. if (m_logicFrameAdd < m_logicFrameDelta)
  18. {
  19. m_logicFrameAdd += (int)(Time.deltaTime * 1000);
  20. }
  21. else
  22. {
  23. int frameNum = 0;
  24. while(CanUpdateNextFrame() IsFillFrame())
  25. {
  26. Loop();//主循环
  27. frameNum++;
  28. if (frameNum > 10)
  29. {
  30. //最多连续播放10帧
  31. break;
  32. }
  33. }
  34. m_logicFrameAdd = 0;
  35. }
  36. }
  37.  
  38. bool CanUpdateNextFrame();//是否可以更新至下一关键帧
  39. bool IsFillFrame();//当前逻辑帧是否为填充帧
  40. }

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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。

 

 

  1. class CustomBehaviour : MonoBehaviour
  2. {
  3. bool m_isDestroy = false;
  4.  
  5. public bool IsDestroy
  6. {
  7. get { returnm_isDestroy; }
  8. }
  9.  
  10. public virtual void OnDestroy() {};
  11.  
  12. public void Destroy(UnityEngine.Objectobj)
  13. {
  14.  
  15. ......//销毁游戏对象
  16.  
  17. }
  18. }
复制代码
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。

 

 

  1. delegate void FrameUpdateFunc();
  2. class FrameUpdate
  3. {
  4. public FrameUpdateFunc func;
  5. public GameObject ower;
  6. public CustomBehaviour behaviour;
  7. }
  8.  
  9. class MainLoopManager : MonoBehaviour
  10. {
  11. ......
  12. List m_frameUpdateList;
  13. List m_frameLateUpdateList;nn
  14.  
  15. public RegisterFrameUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
  16. public UnRegisterFrameUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
  17. public RegisterFrameLateUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
  18. public UnRegisterFrameLateUpdate(FrameUpdateFunc func, GameObject owner)
  19. void Loop()
  20. {
  21. //先遍历m_frameUpdateList
  22. //再遍历m_frameLateUpdateList
  23. }
  24. ......
  25. }
复制代码
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：

 

 

  1. var type = obj.GetType();
  2. MethodInfo method = type.GetMethod(methodName);
复制代码
通过接口封装，组成相关数据（InvokeData），放入列表等待执行。

 

 

  1. class InvokeData
  2. {
  3. public object obj;
  4. public MethodInfo methodInfo;
  5. public int delayTime;
  6. public int repeatRate;
  7. public int repeatFrameAt;
  8. public bool isCancel = false;
  9. }
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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。

 

 

  1. class MainLoopManager : MonoBehaviour
  2. {
  3. ......
  4. List m_invokeList;
  5.  
  6. void Loop()
  7. {
  8. //先遍历m_frameUpdateList
  9. //再遍历m_frameLateUpdateList
  10. //遍历m_invokeList，并根据相关属性分别进行Invoke、 InvokeRepeating、CancelInvoke
  11. }
  12. ......
  13. }
复制代码
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。

 

 

  1. class CustomBehaviour : MonoBehaviour
  2. {
  3. bool m_isDestroy = false;
  4. public bool IsDestroy
  5. {
  6. set { m_isDestroy = value; }
  7. get { return m_isDestroy; }
  8. }
  9. public virtual void DoDestroy() {};
  10. public void Destroy(UnityEngine.Object obj)
  11. {
  12. if (obj.GetType() == typeof(GameObject))
  13. {
  14. GameObject go = (GameObject)obj;
  15. CustomBehaviour behaviours = go.GetComponents();
  16. for (int i = 0; i < behaviours.Length; i++)
  17. {
  18. behaviours[i].IsDestroy = true;
  19. behaviours[i].DoDestroy();
  20. }
  21. }
  22. else if (obj.GetType() == typeof(CustomBehaviour))
  23. {
  24. CustomBehaviour behaviour = (CustomBehaviour)obj;
  25. behaviour.IsDestroy = true;
  26. behaviour.DoDestroy();
  27. }
  28. UnityEngine.Object.Destroy(obj);
  29. }
  30. }
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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：

 

 

  1. class MainLoopManager : MonoBehaviour
  2. {
  3. .......
  4. int m_serverFrameDelta;//毫秒
  5. int m_curFrameIndex;
  6. int m_fillFrameNum;
  7. int m_serverRandomSeed;
  8.  
  9. public int serverRandomSeed
  10. {
  11. get { return m_serverRandomSeed; }
  12. }
  13. public int curFrameIndex
  14. {
  15. get { return m_curFrameIndex; }
  16. }
  17. public static int curFrameTime
  18. {
  19. return m_curFrameIndex * m_serverFrameDelta / (1 + m_fillFrameNum);
  20. }
  21. public static int deltaFrameTime
  22. {
  23. return m_serverFrameDelta / (1 + m_fillFrameNum);
  24. }
  25. .......
  26. }
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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。

 

 

  1. class CustomBehaviour : MonoBehaviour
  2. {
  3. protected class Time
  4. {
  5. public static Fix time
  6. {
  7. get { return (Fix)MainLoopManager.curFrameTime / 1000; }
  8. }
  9.  
  10. public static Fix deltaTime
  11. {
  12. get { return (Fix)MainLoopManager.deltaFrameTime / 1000; }
  13. }
  14. }
  15.  
  16. protected class Random
  17. {
  18. public static Fix Range(Fix min, Fix max)
  19. {
  20. Fix diff = max - min;
  21. Fix seed = MainLoopManager.serverRandomSeed;
  22. return min + (int)FixMath.Round(diff * (seed / 100));
  23. }
  24. }
  25. }
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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

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。

via：GAD

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