状态同步和帧同步

状态同步和帧同步

状态同步和帧同步是两种不同的网络同步策略，它们的应用场景和目的各不相同，区分这两者是为了满足不同类型的游戏对网络同步的需求。

假设在一个联机游戏中，玩家可以在地图上移动，有血量和transform（位置、旋转、缩放），并可以通过键盘进行武器攻击。接下来，分别用状态同步和帧同步来讲解在这种情况下，谁会发送什么信息以及这些信息是如何在客户端和服务器之间传递的。

状态同步 (State Synchronization)

通常用于同步游戏中的静态或半动态的数据，这些数据可以直接通过定期更新或在状态变化时进行广播来同步。

状态同步的核心思想是由服务器主导游戏状态的管理，并定期将玩家的状态（如位置、血量、武器状态等）发送给所有客户端。具体来说：

1. 服务器负责管理状态

  • 谁发送：服务器。
  • 发送什么：服务器定期（通常是每帧或每隔几帧）发送玩家的关键状态数据到所有客户端。这些数据可能包括：
    • 玩家transform：位置、旋转（即玩家在地图上的当前坐标和朝向）。
    • 玩家血量：玩家当前的血量值。
    • 武器状态：例如，武器是否处于攻击状态、当前的子弹数、冷却时间等。

2. 客户端接收并更新状态

  • 谁接收：所有客户端。
  • 接收什么：客户端接收服务器发送的状态数据，并使用这些数据更新游戏画面。例如：
    • 根据服务器发送的transform数据更新玩家的显示位置和朝向。
    • 根据服务器发送的血量数据更新玩家的血量显示。
    • 根据服务器发送的武器状态数据决定是否播放攻击动画或音效。

举例：

  • 玩家A在地图上移动。服务器计算出玩家A的新位置，并将这个位置以及其他状态数据发送给所有客户端。客户端收到这些信息后，将玩家A在游戏中的显示位置更新到新位置。

简单总结

  • 特点：

    • 服务器是游戏状态的权威，所有的状态更新在服务器上发生，然后广播给所有客户端。
    • 状态同步具有较高的容错性，因为即使客户端的帧率不同，最终的游戏状态仍然可以通过服务器同步确保一致。

  • 优点：

    • 容易实现，适合网络延迟较大的环境。
    • 能够确保所有玩家看到的游戏状态一致，即使有网络延迟或丢包。

  • 缺点：

    • 在某些场景下可能会导致较高的带宽消耗，特别是当状态更新频繁时。
    • 状态的更新频率决定了同步的平滑度，如果同步频率低，可能会导致玩家体验不流畅。

帧同步 (Frame Synchronization)

这种方法通常用于需要高度精确和同步的场景，例如需要实时操作和快速反应的游戏。

帧同步的核心思想是所有客户端在相同的时间执行相同的指令，以保持游戏状态的一致性。在这种模式下，客户端主要同步玩家的输入信息，而不是整个游戏状态。具体来说：

1. 客户端发送输入

  • 谁发送：客户端。
  • 发送什么：客户端只发送玩家的输入数据到服务器。输入数据通常包括：
    • 按键事件：例如“向前移动”、“攻击”等按键操作。
    • 鼠标事件：例如“瞄准”或“开火”等鼠标操作。
    • 时间戳或帧号：标记输入发生的时间，用于确保所有客户端在相同的帧执行相同的操作。

2. 服务器广播输入

  • 谁发送：服务器。
  • 发送什么：服务器收集所有客户端的输入数据，并在下一帧将这些输入广播给所有客户端。广播的数据包括：
    • 收集到的所有客户端的输入信息。
    • 时间戳或帧号：确保所有客户端在相同的帧执行相同的输入。

3. 客户端执行输入

  • 谁接收：所有客户端。
  • 接收什么：客户端接收服务器广播的输入信息，并在相同的帧执行这些操作。例如：
    • 执行“向前移动”指令：根据按键输入调整玩家的transform。
    • 执行“攻击”指令：播放武器攻击动画、处理碰撞检测等。

举例：

  • 玩家A按下“攻击”键。客户端将这个输入发送给服务器，服务器将玩家A的“攻击”指令广播给所有客户端。在同一帧，所有客户端都执行这个“攻击”指令，更新玩家A的攻击动画和效果。

简单总结

  • 特点：

    • 客户端主要同步输入（如按键、移动指令等），而非完整的状态。
    • 服务器将收集到的输入信息广播给所有客户端，所有客户端在相同的帧上执行这些输入，从而确保所有客户端的游戏状态保持一致。

  • 优点：

    • 能够保证极高的精确性和一致性，特别适合需要精确控制的游戏。
    • 更加节省带宽，因为只需同步输入数据，而不是整个游戏状态。

  • 缺点：

    • 对网络延迟非常敏感，任何网络延迟都会直接影响游戏体验，可能导致“卡顿”或“延迟”现象。
    • 对开发要求较高，需要保证所有客户端在完全相同的状态下执行相同的指令。

总结

  • 状态同步：服务器发送玩家的状态（如位置、血量、武器状态）给所有客户端。服务器控制游戏状态的更新，客户端根据接收到的状态更新显示。适合需要较高容错性和简化客户端逻辑的游戏。
  • 帧同步：客户端发送玩家的输入（如按键、鼠标操作）给服务器，服务器将这些输入广播给所有客户端。所有客户端在相同的帧执行相同的操作。适合需要精确同步和一致性的游戏。

因此，区分状态同步和帧同步是为了根据不同的游戏需求选择最合适的同步策略，确保游戏体验的流畅性和一致性。不同类型的游戏对同步的要求不同，因此需要根据具体情况来选择或结合这两种策略。

在实际应用中，会结合两者的优点，针对不同的游戏机制选择合适的同步策略。例如，可以使用状态同步来同步玩家位置和血量，而使用帧同步来处理关键的输入事件（如攻击）以确保所有客户端在相同的帧执行相同的攻击动作。

Mirror插件的两种同步方式

Mirror使用的策略主要是状态同步，但它也可以灵活地结合帧同步来实现复杂的网络功能。

1. 状态同步为主：

  • Mirror依赖于服务器来管理和同步游戏状态，服务器负责计算和更新游戏中的关键状态（如玩家位置、血量、武器状态等），并将这些状态同步给所有客户端。这是状态同步的典型应用。
  • 使用SyncVar属性来自动同步服务器上的变量到所有客户端。例如，如果玩家的血量或位置发生变化，服务器会将这些变化自动同步给所有客户端。
  • 服务器还通过ClientRpc方法向客户端广播事件或状态更新，客户端接收到这些更新后，会相应地更新游戏状态。

2. 帧同步：

  • 虽然Mirror主要基于状态同步，但它也允许通过自定义Command和ClientRpc方法实现帧同步的机制。
  • 客户端可以使用Command将输入（如按键、移动指令）发送给服务器，然后服务器可以在合适的时机（通常是下一帧）通过ClientRpc将这些输入同步给所有客户端。这种方式可以模拟帧同步的行为，确保所有客户端在相同的帧执行相同的操作。

实际应用中的结合：

  • 在大多数情况下，Mirror开发者会主要依赖状态同步来管理和同步游戏中的大部分状态，而在某些需要精确同步的操作（如攻击、跳跃）上，可能会结合帧同步的思想，通过Command和ClientRpc进行更细粒度的控制。

简单示例

在这个例子中，我们同步玩家的位置和血量，同时使用Command和ClientRpc处理攻击动作。

PlayerController.cs - 实现状态同步和帧同步

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using UnityEngine;
using Mirror;

public class PlayerController : NetworkBehaviour
{
    // 同步玩家位置和血量
    [SyncVar]
    public Vector3 syncPosition;

    [SyncVar]
    public int health = 100;

    public float moveSpeed = 5f;
    public GameObject weapon;

    void Update()
    {
        if (isLocalPlayer)
        {
            HandleMovement();
            if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
            {
                CmdAttack();
            }
        }

        // 更新玩家位置
        if (!isLocalPlayer)
        {
            transform.position = syncPosition;
        }
    }

    void HandleMovement()
    {
        float moveHorizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
        float moveVertical = Input.GetAxis("Vertical");

        Vector3 movement = new Vector3(moveHorizontal, 0.0f, moveVertical) * moveSpeed * Time.deltaTime;
        transform.position += movement;

        // 将本地玩家的位置发送到服务器
        CmdUpdatePosition(transform.position);
    }

    [Command]
    void CmdUpdatePosition(Vector3 newPosition)
    {
        // 服务器更新位置并同步给所有客户端
        syncPosition = newPosition;
    }

    [Command]
    void CmdAttack()
    {
        // 服务器处理攻击逻辑
        RpcPerformAttack();
    }

    [ClientRpc]
    void RpcPerformAttack()
    {
        // 所有客户端执行攻击动画
        weapon.GetComponent<Animator>().SetTrigger("Attack");

        // 假设攻击命中目标并造成伤害
        if (isServer)
        {
            // 服务器减少目标玩家的血量
            health -= 10;
            Debug.Log("Player health: " + health);
        }
    }
}

[Command] CmdAttack()：当客户端调用这个函数时，它实际上并不会在客户端上执行，而是将命令发送给服务器，服务器会接收到这个命令并在服务器端执行CmdAttack() 函数的逻辑。客户端仅仅是发起请求，具体的逻辑是在服务器端执行的。

[ClientRpc] RpcPerformAttack()：这个函数是在服务器端调用的，然后服务器会指示所有连接的客户端来执行这个函数。因此，RpcPerformAttack()会在所有客户端（包括服务器）上执行，用来同步客户端的动画或其他需要客户端执行的逻辑。

  • CmdAttack()：仅在服务器端执行。客户端调用这个命令，服务器接收到后在服务器端执行它。
  • RpcPerformAttack()：在所有客户端和服务器端执行。当服务器调用这个方法时，所有客户端都会执行其中的逻辑。

解释：

  1. 状态同步：

    • syncPosition和health使用[SyncVar]属性自动同步服务器端的数据到所有客户端。这意味着每个客户端都会接收到服务器更新的最新位置和血量数据。

  2. 帧同步（结合Command和ClientRpc）：

    • CmdUpdatePosition(Vector3 newPosition)：当本地玩家移动时，客户端会通过Command将新位置发送给服务器，服务器会更新syncPosition，并自动同步到所有客户端。
    • CmdAttack()：当玩家按下空格键进行攻击时，客户端发送攻击命令给服务器。服务器随后通过RpcPerformAttack()广播攻击事件给所有客户端，所有客户端将同步播放攻击动画，并且服务器将更新玩家的血量。
技术笔记
#C# #游戏开发 #Unity #Mirror
状态同步和帧同步
http://example.com/状态同步和帧同步/
作者
李小基
许可协议