Розробка онлайн-ігор є одним з найскладніших аспектів ігрового програмування. На відміну від однокористувацьких ігор, де ви маєте повний контроль над середовищем, онлайн-ігри вимагають глибокого розуміння мережевого програмування, синхронізації даних і управління станом гри між різними клієнтами.

У цій статті ми розглянемо основні принципи мережевого програмування для онлайн-ігор, зрозуміємо архітектури клієнт-сервер та п2п, а також дізнаємося, як вирішувати типові проблеми, пов'язані із затримкою та втратою пакетів.

Основи мережевої взаємодії в іграх

Перш ніж зануритися у конкретні архітектури та методи реалізації, давайте розглянемо фундаментальні поняття, які необхідно розуміти при розробці онлайн-ігор.

Протоколи передачі даних: TCP проти UDP

Два основних протоколи транспортного рівня, які використовуються в мережевих іграх, - це TCP (Transmission Control Protocol) і UDP (User Datagram Protocol). Кожен з них має свої переваги та недоліки, які важливо враховувати при розробці:

Серіалізація даних

Для передачі даних через мережу необхідно перетворити складні структури даних (об'єкти, класи) у формат, який можна легко передати через мережу (байтові потоки). Цей процес називається серіалізацією. Існує кілька поширених методів серіалізації в іграх:

• Бінарна серіалізація - найбільш ефективна з точки зору розміру пакетів, але менш читабельна та складніша в налагодженні
• JSON/XML - людиночитабельні формати, але з більшими накладними витратами
• Protocol Buffers (protobuf) - ефективний бінарний формат від Google з чудовою підтримкою різних мов
• FlatBuffers - розроблений Google для ігор, дозволяє працювати з серіалізованими даними без десеріалізації

using System;
using System.IO;

[Serializable]
public class PlayerPosition
{
    public int PlayerId { get; set; }
    public float X { get; set; }
    public float Y { get; set; }
    public float Z { get; set; }
    
    // Серіалізація об'єкту в масив байтів
    public byte[] Serialize()
    {
        using (MemoryStream ms = new MemoryStream())
        {
            using (BinaryWriter writer = new BinaryWriter(ms))
            {
                writer.Write(PlayerId);
                writer.Write(X);
                writer.Write(Y);
                writer.Write(Z);
            }
            return ms.ToArray();
        }
    }
    
    // Десеріалізація з масиву байтів
    public static PlayerPosition Deserialize(byte[] data)
    {
        PlayerPosition position = new PlayerPosition();
        using (MemoryStream ms = new MemoryStream(data))
        {
            using (BinaryReader reader = new BinaryReader(ms))
            {
                position.PlayerId = reader.ReadInt32();
                position.X = reader.ReadSingle();
                position.Y = reader.ReadSingle();
                position.Z = reader.ReadSingle();
            }
        }
        return position;
    }
}

Архітектури мережевої взаємодії

При розробці онлайн-ігор ви маєте вибрати відповідну мережеву архітектуру, яка визначатиме, як клієнти гри взаємодіють один з одним. Розглянемо найпоширеніші архітектури.

Клієнт-серверна архітектура

Найпопулярніша архітектура для онлайн-ігор, особливо для масових багатокористувацьких ігор. У цій моделі:

• Центральний сервер керує всією логікою гри
• Клієнти надсилають свої дії серверу
• Сервер обробляє всі дії, оновлює стан гри та надсилає оновлення клієнтам

Рис. 1: Схема клієнт-серверної архітектури. Всі клієнти з'єднуються з центральним сервером.

Переваги клієнт-серверної архітектури:

• Централізований контроль над ігровою логікою
• Легше боротися з читерством
• Простіша синхронізація стану гри між гравцями
• Кращий контроль над мережевим трафіком

Недоліки:

• Вартість підтримки серверів
• Потенційна єдина точка відмови
• Затримка може впливати на ігровий процес

Peer-to-Peer (P2P) архітектура

У P2P архітектурі немає центрального сервера, і клієнти спілкуються безпосередньо один з одним.

• Кожен клієнт виконує як серверну, так і клієнтську функції
• Дані стану гри розподіляються між усіма клієнтами
• Часто один з клієнтів призначається "хостом" і має додаткові повноваження

Рис. 2: Схема Peer-to-Peer архітектури. Кожен клієнт з'єднаний з усіма іншими клієнтами.

Переваги P2P архітектури:

• Менша затримка в деяких випадках
• Немає витрат на підтримку серверів
• Краща стійкість до виходу окремих вузлів з ладу

Недоліки:

• Складніше реалізувати
• Більша вразливість до читерства
• Складніша синхронізація стану гри
• Масштабованість обмежена (зазвичай підходить для ігор з невеликою кількістю гравців)

Гібридна архітектура

Багато сучасних ігор використовують гібридні підходи, комбінуючи елементи клієнт-серверної та P2P архітектур:

• Головний сервер для аутентифікації, пошуку матчів та глобальної статистики
• P2P для фактичного ігрового процесу між невеликою кількістю гравців
• Або розподілені сервери, де різні аспекти гри обробляються різними серверами

Методи синхронізації стану гри

Одним з найбільших викликів у розробці онлайн-ігор є синхронізація стану гри між усіма гравцями. Для цього існує кілька основних підходів:

Детермінована синхронізація

При детермінованій синхронізації:

• Гра повинна поводитися однаково при однакових вхідних даних на всіх клієнтах
• Синхронізуються лише вхідні дії гравців
• Кожен клієнт сам обчислює наслідки цих дій

Цей метод вимагає суворого детермінізму, тобто однакові вхідні дані завжди повинні призводити до однакового стану гри, незалежно від клієнта.

// На клієнті та сервері
void Update(float deltaTime)
{
    // Переконуємося, що deltaTime завжди однаковий на всіх клієнтах
    float fixedDeltaTime = 1.0f / 60.0f;
    
    // Детерміністичне оновлення фізики
    Physics.Update(fixedDeltaTime);
    
    // Обробка синхронізованих входів
    foreach (var input in synchedInputs)
    {
        ProcessPlayerInput(input.playerId, input.action);
    }
    
    // Оновлення ігрової логіки
    GameLogic.Update(fixedDeltaTime);
}

Авторитетний сервер

Найпоширеніший підхід для більшості онлайн-ігор:

• Сервер є єдиним джерелом правди щодо стану гри
• Клієнти надсилають свої дії серверу
• Сервер оновлює стан гри і надсилає його клієнтам
• Клієнти лише відображають отриманий стан

Цей метод забезпечує найкращий захист від шахрайства, але може створювати відчутну затримку.

Клієнтська інтерполяція і екстраполяція

Для покращення плавності гри при наявності затримки, клієнти використовують методи інтерполяції та екстраполяції:

• Інтерполяція - плавний перехід між двома відомими станами
• Екстраполяція - прогнозування майбутнього стану на основі поточного стану та швидкості зміни

Vector3 InterpolatePosition(Vector3 oldPosition, Vector3 newPosition, float factor)
{
    // factor - значення від 0 до 1, що показує, наскільки ми просунулися між кадрами
    return Vector3.Lerp(oldPosition, newPosition, factor);
}

// У методі оновлення
void Update()
{
    float timeSinceLastUpdate = Time.time - lastUpdateTime;
    float interpolationFactor = timeSinceLastUpdate / updateInterval;
    
    // Обмежуємо factor значеннями між 0 і 1
    interpolationFactor = Mathf.Clamp01(interpolationFactor);
    
    // Інтерполюємо позицію між останньою отриманою та цільовою
    transform.position = InterpolatePosition(lastReceivedPosition, targetPosition, interpolationFactor);
}

Передбачення клієнта

Для зменшення видимих ефектів затримки, багато ігор використовують клієнтське передбачення:

• Клієнт негайно застосовує дії гравця локально, не чекаючи відповіді сервера
• Сервер обробляє дію та надсилає результат
• Якщо результат відрізняється від передбаченого, клієнт коригує стан (відкат і відтворення)

Цей підхід забезпечує миттєвий відгук для гравця, але вимагає складного механізму узгодження для обробки розбіжностей.

Рис. 3: Схема роботи клієнтського передбачення з механізмом відкату при розбіжностях з сервером.

Вирішення проблем із затримкою

Затримка (лаг) є найбільшою проблемою для онлайн-ігор. Ось кілька методів для мінімізації її впливу:

Компенсація затримки на стороні сервера

У швидких іграх (особливо шутерах) сервер може компенсувати затримку клієнта, «повертаючись у минуле» при обробці дій гравця:

• Клієнт надсилає дію з часовою міткою
• Сервер відмотує стан гри до того моменту
• Обробляє дію в тому моменті часу
• Потім знову відтворює всі дії до поточного моменту

Адаптивне прогнозування

Адаптивне прогнозування динамічно регулює алгоритми екстраполяції на основі поточної якості з'єднання:

• Вимірюється якість з'єднання (затримка, джиттер, втрата пакетів)
• Коригується рівень прогнозування залежно від умов мережі
• При поганому з'єднанні система може бути більш консервативною

Зонування та області інтересів

Для масштабних онлайн-ігор важливо обмежити кількість даних, які необхідно синхронізувати:

• Ігровий світ ділиться на зони або регіони
• Клієнт отримує інформацію лише про об'єкти в безпосередній близькості (область інтересу)
• Об'єкти далеко від гравця оновлюються рідше або з меншою точністю

// На сервері
void SendUpdatesToClient(Client client)
{
    Vector3 clientPosition = client.GetPosition();
    PacketBuilder packet = new PacketBuilder();
    
    foreach (GameObject obj in gameObjects)
    {
        float distanceToClient = Vector3.Distance(clientPosition, obj.position);
        
        // Об'єкти за межами області інтересів не надсилаються
        if (distanceToClient > client.InterestRadius)
            continue;
            
        // Якщо об'єкт далеко, надсилаємо менше деталей або з нижчою частотою
        if (distanceToClient > client.DetailedUpdateRadius)
        {
            // Надсилаємо базові дані з низькою частотою
            if (currentFrame % 5 == 0) // Кожен 5-й кадр
            {
                packet.AddBasicObjectData(obj);
            }
        }
        else
        {
            // Надсилаємо детальні дані з високою частотою
            packet.AddDetailedObjectData(obj);
        }
    }
    
    client.SendPacket(packet);
}

Практичні поради з реалізації

Незалежно від обраного підходу, ось кілька практичних порад для реалізації мережевого коду в онлайн-іграх:

Оптимізація використання смуги пропускання

• Дельта-компресія - передавайте лише зміни стану замість повного стану
• Пріоритизація даних - найважливіші дані передавайте частіше
• Стискання даних - використовуйте бітове пакування та інші методи стискання
• Квантування - зменшуйте точність чисел для економії бітів (наприклад, використовуючи фіксовану точність замість чисел з плаваючою точкою)

Обробка втрати пакетів

• Впровадьте власну систему підтвердження отримання для UDP
• Використовуйте порядкові номери для визначення порядку пакетів
• Вирішіть, які дані можна втратити без істотних проблем

Використання готових рішень

У більшості випадків не потрібно реалізовувати всю мережеву інфраструктуру з нуля. Існує багато готових рішень:

• Unity - Unity Netcode for GameObjects, Photon, Mirror
• Unreal Engine - вбудована мережева підсистема
• Godot - High-level і Low-level мережеві API
• Спеціалізовані бібліотеки - gRPC, ZeroMQ, RakNet

Висновок

Мережеве програмування для онлайн-ігор є складним, але надзвичайно важливим аспектом розробки. Правильний вибір архітектури та методів синхронізації може значно вплинути на ігровий досвід гравців.

Ключові моменти, які варто запам'ятати:

• Вибір між TCP і UDP залежить від типу даних, які ви передаєте
• Архітектура клієнт-сервер є найбільш безпечною та масштабованою
• Використовуйте клієнтське передбачення та компенсацію затримки для покращення відгуку
• Оптимізуйте використання смуги пропускання через дельта-компресію та пріоритизацію даних
• По можливості використовуйте готові рішення замість створення всього з нуля

Розробка онлайн-ігор - це завжди компроміс між безпекою, продуктивністю та ігровим досвідом. Розуміння основних принципів мережевого програмування допоможе вам прийняти правильні рішення для вашого конкретного проєкту.

Марія Петренко

Розробниця з досвідом створення багатокористувацьких ігор. Спеціалізується на мережевому програмуванні та оптимізації онлайн-ігор. Працювала над кількома популярними мобільними та ПК онлайн-іграми.