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那也是须要关切的标题,游戏服务器端软件的布

2020-04-03 作者:计算机网络   |   浏览(176)

游戏服务器特征

这是王者荣耀技术分析系列第三篇,有兴趣请持续关注。

1、像《王者荣耀》一样红过

2、从《王者荣耀》来聊聊游戏的帧同步

3、游戏服务器的架构演进

架构的分析模型
一. 讨论的背景
现代电子游戏,基本上都会使用一定的网络功能。从验证正版,到多人交互等等,都需要架设一些专用的服务器,以及编写在服务器上的程序。因此,游戏服务器端软件的架构,本质上也是游戏服务器这个特定领域的软件架构。
软件架构的分析,可以通过不同的层面入手。比较经典的软件架构描述,包含了以下几种架构:
运行时架构——这种架构关心如何解决运行效率问题,通常以程序进程图、数据流图为表达方式。在大多数开发团队的架构设计文档中,都会包含运行时架构,说明这是一种非常重要的设计方面。这种架构也会显著的影响软件代码的开发效率和部署效率。本文主要讨论的是这种架构。

游戏服务器端,是一个会长期运行的程序,并且它还要服务于多个不定时,不定点的网络请求。

 

逻辑架构——这种架构关心软件代码之间的关系,主要目的是为了提高软件应对需求变更的便利性。人们往往会以类图、模块图来表达这种架构。这种架构设计在需要长期运营和重用性高的项目中,有至关重要的作用。因为软件的可扩展性和可重用度基本是由这个方面的设计决定的。特别是在游戏领域,需求变更的频繁程度,在多个互联网产业领域里可以说是最高的。本文会涉及一部分这种架构的内容,但不是本文的讨论重点。

所以这类软件的特点是要非常关注稳定性和性能。这类程序如果需要多个协作来提高承载能力,则还要关注部署和扩容的便利性;同时,还需要考虑如何实现某种程度容灾需求。由于多进程协同工作,也带来了开发的复杂度,这也是需要关注的问题。

本文阅读预计需要10分钟,主要技术点来如下,感兴趣请继续:

物理架构——关心软件如何部署,以机房、服务器、网络设备为主要描述对象。

功能约束,是架构设计决定性因素。基于游戏领域的功能特征,对服务器端系统来说,有以下几个特殊的需求:

 

  1. 游戏服务器特征

  2. 短连接游戏服务器架构

  3. 长链接游戏服务器架构

  4. 分区分服服务器架构

  5. MMOARPG服务器架构

  6. 房间服务器架构

 

数据架构——关心软件涉及的数据结构的设计,对于数据分析挖掘,多系统协作有较大的意义。

对于游戏数据和玩家数据的存储对玩家数据进行数据广播和同步把一部分游戏逻辑在服务器上运算,做好验证,防止外挂。

1游戏服务器特征

开发架构——关心软件开发库之间的关系,以及版本管理、开发工具、编译构建的设计,主要为了提高多人协作开发,以及复杂软件库引用的开发效率。现在流行的集成构建系统就是一种开发架构的理论。

针对以上的需求特征,在服务器端,我们往往会关注对电脑内存和 CPU 的使用,以求在特定业务代码下,能尽量满足承载量和响应延迟的需求。最基本的做法就是“空间换时间”,用各种缓存的方式来以求得 CPU 和内存空间上的平衡。

 

二. 游戏服务器架构的要素
服务器端软件的本质,是一个会长期运行的程序,并且它还要服务于多个不定时,不定地点的网络请求。所以这类软件的特点是要非常关注稳定性和性能。这类程序如果需要多个协作来提高承载能力,则还要关注部署和扩容的便利性;同时,还需要考虑如何实现某种程度容灾需求。由于多进程协同工作,也带来了开发的复杂度,这也是需要关注的问题。
功能约束,是架构设计决定性因素。一个万能的架构,必定是无能的架构。一个优秀的架构,则是正好把握了对应业务领域的核心功能产生的。游戏领域的功能特征,于服务器端系统来说,非常明显的表现为几个功能的需求:
对于游戏数据和玩家数据的存储

在 CPU 和内存之上,是另外一个约束因素:网卡。网络带宽直接限制了服务器的处理能力,所以游戏服务器架构也必定要考虑这个因素。

游戏服务器端,是一个会长期运行的程序,并且它还要服务于多个不定时,不定点的网络请求。所以这类软件的特点是要非常关注稳定性和性能。这类程序如果需要多个协作来提高承载能力,则还要关注部署和扩容的便利性;同时,还需要考虑如何实现某种程度容灾需求。由于多进程协同工作,也带来了开发的复杂度,这也是需要关注的问题。

对玩家客户端进行数据广播

游戏服务器架构要素

 

49彩票集团,把一部分游戏逻辑在服务器上运算,便于游戏更新内容,以及防止外挂。

对于游戏服务端架构,最重要的三个部分就是,如何使用 CPU、内存、网卡的设计:

功能约束,是架构设计决定性因素。基于游戏领域的功能特征,对服务器端系统来说,有以下几个特殊的需求:

针对以上的需求特征,在服务器端软件开发上,我们往往会关注软件对电脑内存和CPU的使用,以求在特定业务代码下,能尽量满足承载量和响应延迟的需求。最基本的做法就是“时空转换”,用各种缓存的方式来开发程序,以求在CPU时间和内存空间上取得合适的平衡。在CPU和内存之上,是另外一个约束因素:网卡。网络带宽直接限制了服务器的处理能力,所以游戏服务器架构也必定要考虑这个因素。
对于游戏服务器架构设计来说,最重要的是利用游戏产品的需求约束,从而优化出对此特定功能最合适的“时-空”架构。并且最小化对网络带宽的占用。

内存架构:主要决定服务器如何使用内存,以最大化利用服务器端内存来提高承载量,降低服务延迟。逻辑架构:设计如何使用进程、线程、协程这些对于 CPU 调度的方案。选择同步、异步等不同的编程模型,以提高服务器的稳定性和承载量。可以分区分服,也可以采用世界服的方式,将相同功能模块划分到不同的服务器来处理。通信模式:决定使用何种方式通讯。基于游戏类型不同采用不同的通信模式,比如 http,tcp,udp 等。服务器演化进程 1、卡牌等休闲游戏弱交互游戏

  1. 对于游戏数据和玩家数据的存储

  2. 对玩家数据进行数据广播和同步

  3. 把一部分游戏逻辑在服务器上运算,做好验证,防止外挂。

     

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服务器基于游戏类型不同,所采用的架构也有所不同,我们先讲一下简单的模型,采用 http 通信模式架构的服务器:

 

[图-游戏服务器的分析模型]
三. 核心的三个架构
基于上述的分析模型,对于游戏服务端架构,最重要的三个部分就是,如何使用CPU、内存、网卡的设计:
内存架构:主要决定服务器如何使用内存,以保证尽量少的内存泄漏的可能,以及最大化利用服务器端内存来提高承载量,降低服务延迟。

这种服务器架构和我们常用的 web 服务器架构差不多,也是采用 nginx 负载集群支持服务器的水平扩展,memcache 做缓存。唯一不同的地点不同的在于通信层需要对协议再加工和加密,一般每个公司都有自己的一套基于 http 的协议层框架,很少采用开源框架。

针对以上的需求特征,在服务器端,我们往往会关注对电脑内存和CPU的使用,以求在特定业务代码下,能尽量满足承载量和响应延迟的需求。最基本的做法就是“空间换时间”,用各种缓存的方式来以求得CPU和内存空间上的平衡。

调度架构:设计如何使用进程、线程、协程这些对于CPU调度的方案。选择同步、异步等不同的编程模型,以提高服务器的稳定性和承载量。同时也要考虑对于开发带来的复杂度问题。现在出现的虚拟化技术,如虚拟机、Docker、云服务器等,都为调度架构提供了更多的选择。

2、长链接游戏服务器

 

通信模式:决定使用何种方式通讯。网络通讯包含有传输层的选择,如TCP/UDP;据表达层的选择,如定义协议;以及应用层的接口设计,如消息队列、事件分发、远程调用等。

长连接游戏和弱联网游戏不同的地方在于,长连接中,玩家是有状态的,服务器可以时时和 client 交互,数据的传送,不像弱联网一般每次都需要重新创建一个连接,消息传送的频率以及速度上都快于弱联网游戏。

在CPU和内存之上,是另外一个约束因素:网卡。网络带宽直接限制了服务器的处理能力,所以游戏服务器架构也必定要考虑这个因素。

本文的讨论,也主要是集中于对以上三个架构的分析。
四. 游戏服务器模型的进化历程
最早的游戏服务器是比较简单的,如UO《网络创世纪》的服务端一张3.5寸软盘就能存下。基本上只是一个广播和存储文件的服务器程序。后来由于国内的外挂、盗版流行,各游戏厂商开始以MUD为模型,建立主要运行逻辑在服务器端的架构。这种架构在MMORPG类产品的不断更新中发扬光大,从而出现了以地图、视野等分布要素设计的分布式游戏服务器。而在另外一个领域,休闲游戏,天然的需要集中超高的在线用户,所以全区型架构开始出现。现代的游戏服务器架构,基本上都希望能结合承载量和扩展性的有点来设计,从而形成了更加丰富多样的形态。本文的讨论主要是选取这些比较典型的游戏服务器模型,分析其底层各种选择的优点和缺点,希望能探讨出更具广泛性,更高开发效率的服务器模型。
分服模型
一. 模型描述

1) 第一代网游服务器(单线程无阻塞)

 

分服模型是游戏服务器中最典型,也是历久最悠久的模型。其特征是游戏服务器是一个个单独的世界。每个服务器的帐号是独立的,而且只用同一服务器的帐号才能产生线上交互。在早期服务器的承载量达到上限的时候,游戏开发者就通过架设更多的服务器来解决。这样提供了很多个游戏的“平行世界”,让游戏中的人人之间的比较,产生了更多的空间。所以后来以服务器的开放、合并形成了一套成熟的运营手段。一个技术上的选择最后导致了游戏运营方式的模式,是一个非常有趣的现象。

最早的游戏服务器是 1978 年,英国著名的财经学校 University of Essex 的学生 Roy Trubshaw 编写了世界上第一个 MUD 程序,叫做《MUD1》。《MUD1》程序的源代码在 ARPANET 共享之后,在全世界广泛流行起来。不断完善的 MUD1 的基础上产生了开源的 MudOS(1991),成为众多网游的鼻祖。

 

2游戏服务器架构要素

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MUD1 是一款纯文字的世界,没有任何图片,但是不同计算机前的玩家可以在游戏里共同冒险、交流。与以往具有网络联机功能的游戏相比, MUD1 是第一款真正意义上的实时多人交互的网络游戏,它最大的特色是能够保证整个虚拟世界和玩家角色的持续发展——无论是玩家退出后重新登录还是服务器重启,游戏中的场景、宝箱、怪物和谜题仍保持不变,玩家的角色也依然是上次的状态。

    对于游戏服务端架构,最重要的三个部分就是,如何使用CPU、内存、网卡的设计:

 

内存架构:主要决定服务器如何使用内存,以最大化利用服务器端内存来提高承载量,降低服务延迟。

 

逻辑架构:设计如何使用进程、线程、协程这些对于CPU调度的方案。选择同步、异步等不同的编程模型,以提高服务器的稳定性和承载量。可以分区分服,也可以采用世界服的方式,将相同功能模块划分到不同的服务器来处理。

 

通信模式:决定使用何种方式通讯。基于游戏类型不同采用不同的通信模式,比如http,tcp,udp等。

 

[图-分服模型]
二. 调度架构
单进程游戏服务器最简单的游戏服务器只有一个进程,是一个单点。这个进程如果退出,则整个游戏世界消失。在此进程中,由于需要处理并发的客户端的数据包,因此产生了多种选择方法:

MUD 中文版

 

3服务器演化进程

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MUDOS 使用单线程无阻塞套接字来服务所有玩家,所有玩家的请求都发到同一个线程去处理,主线程每隔 1 秒钟更新一次所有对象(网络收发,对象状态,刷新地图,刷新 NPC)。用户使用 Telnet 之类的客户端用 Tcp 协议连接到 MUDOS 上,使用纯文字进行游戏,每条指令用回车进行分割。这样的系统在当时每台服务器承载个 4000 人同时游戏。从 1991 年的 MUDOS 发布后,全球各地都在为他改进,扩充,推出新版本。

 

1卡牌等休闲游戏弱交互游戏

[图-单进程调度模型]
同步-动态多线程:每接收一个用户会话,就建立一个线程。这个用户会话往往就是由客户端的TCP连接来代表,这样每次从socket中调用读取或写出数据包的时候,都可以使用阻塞模式,编码直观而简单。有多少个游戏客户端的连接,就有多少个线程。但是这个方案也有很明显的缺点,就是服务器容易产生大量的线程,这对于内存占用不好控制,同时线程切换也会造成CPU的性能损失。更重要的多线程下对同一块数据的读写,需要处理锁的问题,这可能让代码变的非常复杂,造成各种死锁的BUG,影响服务器的稳定性。

MUDOS 中游戏内容通过 LPC 脚本进行定制,逻辑处理采用单线程 tick 轮询,这也是第一款服务端架构模型,后来被应用到不同游戏上。后续很多游戏都是跟《UO》一样,直接在 MUDOS 上进行二次开发,直到 如今,一些回合制游戏,以及对运算量小的游戏,依然采用这种服务器架构。

 

服务器基于游戏类型不同,所采用的架构也有所不同,我们先讲一下简单的模型,采用http通信模式架构的服务器:

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这种服务器架构和我们常用的web服务器架构差不多,也是采用nginx负载集群支持服务器的水平扩展,memcache做缓存。

 

唯一不同的地点不同的在于通信层需要对协议再加工和加密,一般每个公司都有自己的一套基于http的协议层框架,很少采用开源框架。

 

同步-多线程池:为了节约线程的建立和释放,建立了一个线程池。每个用户会话建立的时候,向线程池申请处理线程的使用。在用户会话结束的时候,线程不退出,而是向线程池“释放”对此线程的使用。线程池能很好的控制线程数量,可以防止用户暴涨下对服务器造成的连接冲击,形成一种排队进入的机制。但是线程池本身的实现比较复杂,而“申请”、“施放”线程的调用规则需要严格遵守,否则会出现线程泄露,耗尽线程池。

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