Как работает сетевой код в многопользовательских играх

Сетевой код — критически важная часть многопользовательских игр. Он отвечает за взаимодействие игроков в реальном времени и обеспечивает плавный игровой процесс. В статье рассмотрим ключевые компоненты сетевого кода, включая архитектуру, типы соединений, синхронизацию, безопасность и оптимизацию.

Основные концепции сетевого кода

Наиболее распространенная модель для многопользовательской игры — клиент-серверная архитектура. Сервер управляет состоянием игры и отвечает за синхронизацию данных между игроками.

Клиент-серверная архитектура, где сервер управляет состоянием игры, а клиенты взаимодействуют с ним

Какие есть преимущества:

• Упрощение логики управления, так как сервер контролирует центральную игровую логику.
• Более надежное управление состоянием игры, поскольку сервер может предотвратить недобросовестное поведение клиентов.

Пиринговая архитектура (P2P) позволяет клиентам напрямую взаимодействовать друг с другом, минуя сервер. Это может снизить нагрузку на сервер, но также увеличивает риск проблем с безопасностью и синхронизацией в играх.

Модель P2P

Преимущества:

• Уменьшение задержек, потому что взаимодействие происходит напрямую.
• Более эффективная загрузка серверов, что позволяет обрабатывать больше игроков.

В сетевом коде в играх есть два ключевых типа соединений:

• TCP (Протокол управления передачей) гарантирует надежность передачи данных, обеспечивая правильную доставку и последовательность пакетов. Он оптимален для игр, где критически важна точность.
• UDP (Протокол датаграмм пользователя) менее стабильный, но обладает большей скоростью. Он лучше подходит для игр, где нужна быстрая реакция, таких как шутеры.

Синхронизация состояния игры между клиентами работает через репликацию. Так, сервер переодически отправляет обновления о состоянии игровых объектов клиентам, чтобы каждый игрок видел одинаковую картину игры.

Обработка событий и пакетов

Эффективная обработка пакетов — ключевой момент для обеспечения надежной и быстрой связи в играх. Основная задача сетевого кода — получение пакетов, отправленных игроками и сервером. Обычно работает через сокеты, которые предоставляют интерфейс для отправки и получения данных по сети. Поток данных может быть организован как последовательный (TCP), так и беспоточный (UDP).

• TCP гарантирует, что все пакеты прибыли в правильном порядке, но иногда это может привести к задержкам.
• UDP не гарантирует доставку пакетов, но обеспечивает более быстрое соединение, что делает его предпочтительным для игр, где быстрота реакции важнее, чем надежность передачи.
  

При получении пакетов нужно правильно их обрабатывать в зависимости от типа сообщения. Например, команды от игроков (движение, атака) и системные сообщения (обновления состояния игры). Следующий шаг — обработка действий игроков исходя из текущего состоянии игры. Когда сервер получает информацию о действиях игроков, он должен выполнить соответствующие изменения на игровом поле (например, переместить персонажа) и затем уведомить всех игроков о новых состояниях.

Чтобы избежать разницы в состоянии между игроками и сервером, часто используется концепция «‎авторитетного сервера». Он принимает окончательные решения о состоянии игры, а игроки только отправляют свои действия и получают обновления.

Лаг и дроп пакетов — главные враги сетевого взаимодействия в играх. Лаг — это задержка между отправкой пакета и его получением. Она может возникать по многим причинам, включая сетевые условия (ширина канала, задержки) и перегруженность сервера. Высокий уровень лага может приводить к подтормаживанию игрового процесса, что уменьшает приятность игры и может вызывать негативную реакцию игроков.

Задержка в обработке пакетов. Высокий уровень лага ухудшает игровой процесс и снижает удовольствие от игры

Дроп происходит, когда отправленные пакеты теряются по пути к адресу назначения. Это может возникать из-за перегруза сети или проблем с оборудованием. Когда пакеты теряются, у игроков возникают проблемы, например, отсутствие информации о действиях других игроков, что приводит к несоответствиям в игре и ухудшению игрового опыта.

Чтобы сделать процесс игры более плавным и минимизировать лаги, разработчики применяют алгоритмы предсказания и интерполяции.

Предсказание — это метод, с помощью которого клиент может предугадать действия исходя из предыдущих состояний игры. Например, если персонаж движется в заданном направлении, игрок может самостоятельно рассчитывать его будущее положение, пока ждет подтверждения от сервера. Это работает, поскольку время задержки уменьшается, а игра становится более отзывчивой.

Пример кода предсказания на JavaScript:

			let predictedPosition = currentPosition + velocity * deltaTime;
		

Интерполяция используется для сглаживания перемещения объектов между позициями, полученными от сервера. Вместо мгновенных изменений позиции объект в игре плавно перемещается от старой позиции к новой.

Пример кода интерполяции на C#:

			transform.position = Vector3.Lerp(transform.position, targetPosition, interpolationFactor);
		

Безопасность сетевого кода

Защита от читов и взломов, шифрование данных и оптимизация сетевого кода критически важны для стабильной и безопасной работы любого многопользовательского приложения.

Меню с читами в CS 

Одна из основных угроз для сетевого кода — читы. Это программы или модификации, которые дают игрокам некоторые преимущества.

Если загуглить, то можно найти читы к практически любой игре. Они не всегда работают, потому что разработчики блокируют возможность ими пользоваться

Для защиты используют несколько методов.

Серверная валидация

Все действия игроков проверяются на сервере, прежде чем они будут применены. Это помогает предотвратить недобросовестное поведение в игре. Например, если игрок пытается переместиться слишком быстро или применить навыки без необходимых условий (например, без наличия маны), сервер отклоняет это действие.

Это требует от разработчиков продумывания логики проверки, чтобы минимизировать влияние читов на игровой процесс и обеспечить справедливость для всех пользователей.

Шифрование данных

Предотвращает перехват информации во время передачи. Протоколы TLS (Transport Layer Security) обеспечивают безопасность соединений, особенно в тех случаях, когда передается личная информация игроков, например, пароли и платежные данные.

Пример шифрования с использованием TLS:

			import ssl
context = ssl.create_default_context()
with socket.create_connection((server_address, port)) as sock:
    with context.wrap_socket(sock, server_hostname=server_address) as secured_socket:
        # Передача данных через зашифрованный сокет
		

Применение таких протоколов защищает данные от перехвата и гарантирует, что пользователи могут взаимодействовать с игрой, не опасаясь за свою конфиденциальность.

Оптимизация сетевого кода

Она позволяет достичь лучшего качества соединения и уменьшить задержки при взаимодействии пользователей. Эффективность сетевого кода можно увеличить, уменьшая объем передаваемых данных. Это достигается с помощью нескольких стратегий:

• Передача только изменений (диффов). Вместо отправки полного состояния объектов игрокам следует передавать только изменения, что экономит пропускную способность.
• Упрощение структуры пакетов. Это работает, если сократить их размер и улучшить скорость обработки на сервере.

Пример кода передачи диффов:

			const updateGameState = (previousState, currentState) => {
    let differences = {};
    for (let key in currentState) {
        if (currentState[key] !== previousState[key]) {
            differences[key] = currentState[key];
        }
    }
    return differences;
};

		

Также важно эффективно использовать ресурсы сервера. Что для этого нужно:

• Балансировка нагрузки при большом количестве пользователей. Это будет работать, если распределять нагрузку между несколькими серверами.
• Использование кластеризации серверов. Кластеризация объединяет несколько серверов для работы как единое целое, что обеспечивает высокую доступность и масштабируемость.
• Мониторинг производительности. Регулярный мониторинг ресурсов сервера (ЦП, память, пропускная способность) позволяет оперативно реагировать на возникновение проблем и оптимизировать работу.

Рассказывайте в комментариях, в какие игры играете и как часто сталкиваетесь с багами и лагами?