帧同步网络框架

1. 帧同步

1.1. 概要

游戏中的帧同步是一种客户端与服务器的同步方式，是为了实现高实时性，高同步性的应用而产生的。例如大家喜欢玩的王者荣耀，如果玩家A对玩家B发出了攻击而玩家B过了很久才发现，那么玩家B很可能就来不及做出防御，那这个游戏就没法玩，所以所有玩家的指令一定是要及时地同步到所有玩家的终端上的，而且大家收到的信息一定要是一致的，不然没法玩。

1.2. 实时性

网络存在延迟，客户端发出指令到服务器需要时间，服务器发送指令到其他客户端也需要时间，为了做到让玩家感觉不出来延迟，这个发送消息的周期一定要短，例如我50ms就同步一次信息，加上网络延迟100ms，150ms的延迟，玩家是反应不过来的，这个延迟对于玩家来说是越小越小，但是对于运营成本，同步消息频率越大，对于性能要求越高，成本也就越高，所以是要做一个权衡。而且为了能够减小服务器的压力，也为了能够更快地转发信息，游戏的逻辑一般会放到客户端去执行，这样更快。

1.3. 同步性

客户端需要将指令同步后然后在固定的帧间隔内进行逻辑计算，而不是将逻辑计算好了再发送到其他客户端，原因是在某一帧内，玩家如果在不知道其他用户的操作的情况下进行逻辑计算的话，会造成计算结果的不一致，比如说一帧内玩家A攻击了B导致B死亡而这一帧内B也攻击了A导致A死亡，那么两个客户端都认为对方死了，实际上通过指令同步后进行计算，只会有一个死。那就是最先发起攻击的那个人。

如果使用同步指令后再计算的模式，那么需要保证的是每个客户端收到相同指令都会运行出唯一的结果，为了保证这一点，所有客户端都应该有相同的随机种子，也就是说如果有需要随机的地方，那么每个客户端都应该随机出同一个结果，比如玩家A掷骰子，那么每个客户端那里玩家A都应该掷出相同的数字。

指令是不能丢失的，丢失后就会有客户端计算的结果不一致了，所以网络传输必须使用有数据可靠性保证的传输方式，例如tcp，例如kcp。

为了应对玩家掉线的情况，服务器应该保存一场游戏中的指令，在玩家断线重连后发送到玩家终端。

1.4. 项目优势

协议层/业务层完全由lua实现，可拓展性强。
延迟低，网络抖动恢复快。减少游戏卡顿。
业务耦合性低，便于移植到后续其他项目。

2. 协议设计

2.1. 网络优化

客户端和服务器立即发消息的收发方式。KCP机制下服务器和客户端有个缓存队列消息不会立即发送。改用裸UDP后将会降低延迟。
客户端收发协议多线程。更快的收发包，减少不受客户端帧率影响。
实现非可靠UDP。当用户网络不稳定丢包时可大幅降低延迟。使用冗余包的方式保证UDP可靠，比使用ACK保证可靠性流量更大但延迟率低。
断线重连。在该方案中使用裸UDP广播的方式。因此客户端和服务端处于逻辑上的无链接状态。所以在状态回复上会更快。

2.2. 心跳及断线重连的优化

UDP为无连接方案，因此在这里我们紧假设客户端永远不会掉线，因此也不需要进行断线重连和逻辑，客户端和服务端可根据最后一次收到对方的报文时间来判断网络链接是否顺畅，从而给出用户一个提示。而这是双方不会停止发送数据包，而是继续不断尝试继续发送，直到发送成功。而客户端中途推出重新回到游戏时，会生成新的Auth消息，这是服务端认为客户端之前的链接已经失效，而更换链接。

2.3. Auth 过程

客户端按照一定间隔发送auth消息，直到收到服务器相应，停止发送，每条auth消息带有第一次auth的时间戳，服务器端将同一时间戳的auth视为同一个auth消息。

2.4. 下行帧数据方式

服务端冗余发送帧数据，客户端每次收到帧数据后会回复服务器当前收到哪一帧了，服务器从客户端收到的帧数据的下一帧开始冗余到最新帧数据发送给客户端。

3. 实现方式

在Lua中要实现上面的协议以及优化，通常来说有两种方式：

C实现，并在C底层使用多线程方式来进行数据的首发，将接否封装到Lua。优点：性能强；缺点：不可通过热更新修改。
使用LuaSocket，在Lua层实现。优点：可维护性好；缺点：性能差，可能阻塞渲染导致掉帧。那么有没有有一种办法可以综合两种方式呢，有的。lua作为一种极其精简的脚本。保证了运行时的性能。但是却没有多线程的支持。因此我们这里只需要为Lua增加多线程功能就可以了。

3.1. Lua多线程

单个 Lua 虚拟机只能工作在一个线程下，如果你需要在同一个进程中让 Lua 并行处理一些事务，必须为每个线程部署独立的 Lua 虚拟机。这里使用的C++标准模版库（STL）中的多线程来实现，流程图如下：

3.2. 代码示例

---创建Socket实例
local socket = BSD_TCP_CREATE()
---创建一个连接
openSuccess = pcall(BSD_TCP_CONN(socket, address, port))
if openSuccess then
    ---创建Lua多线程
    local pThread = XESLuaThread()
    ---设置一个脚本, 另一个虚拟机会启动这个脚本
    pThread:SetScript("xtcp_thread.lua")
    ---调用一个方法
    pThread:Call("setSocket", socket)
    ---设置消息接收回调函数
    pThread:Callback(function(data)
        ---接到消息了
    end)
    pThread:Start()
end
---发送消息
pcall(BSD_TCP_SEND(socket, msg))

---在xtcp_thread.lua中
XThread = {}
---启动函数
function XThread.onStart()
---启动时调用
end
---每帧调用
function XThread.update()
---每帧调用
local success, data = pcall(function() return BSD_TCP_RECEIVE(XThread.socket) end)
if not success then
    return
end
---这里会调用到设置的Callback中
XThreadCallback(data)
end
---结束函数
function XThread.onEnd()
---线程结束时调用
end

网络