Masarykova univerzita Fakulta informatiky Technologie pro síťové hry v herním engine Unity Bakalářská práce Tomáš Pagáč Brno, jaro 2020 Místo tohoto listu vložte kopie oficiálního podepsaného zadání práce a prohlá- šení autora školního díla. Prohlášení Prohlašuji, že tato bakalářská práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Tomáš Pagáč Vedoucí práce: Mgr. Jiří Chmelík, Ph.D. i Poděkování Chtěl bych poděkovat Mgr. Jiřímu Chmelíkovi, Ph.D. a MgA. Hele- ně Lukášové, ArtD. za vedení práce a podporu při její tvorbě. Dále bych chtěl poděkovat Mgr. Lukášovi Pevnému za pomoc při tvorbě písma. ii Shrnutí Práce zkoumá problematiku vývoje online her. První část popisuje výběr vhodné architektury, metody pro snížení datového toku a kom- penzaci síťové odezvy. Druhá část popisuje implementaci prototypu online hry za použití herního enginu Unity a síťové knihovny Mirror. Součástí práce je grafický manuál pro vytvořený prototyp. iii Klíčová slova online hry, síťování, architektura herního serveru, Unity iv Obsah Úvod 1 1 Slovník 2 2 Požadavky specifické pro síťování her 3 2.1 Úvod do síťování her ..................... 3 2.2 Podvádění ........................... 4 2.3 Problematika architektury ................... 4 2.3.1 Client-server model . 4 2.3.2 Peer-to-peer model . 5 2.3.3 Platforma serveru . 5 2.3.4 Samostatná aplikace . 6 2.3.5 Webový server . 6 2.3.6 In-engine server . 6 2.3.7 Distribuovaný server . 7 2.4 Problematika šířky pásma ................... 8 2.4.1 Filtrování příjemců dat . 8 2.4.2 Snížení kvality dat . 9 2.4.3 Serializace . 10 2.4.4 Komprese . 10 2.5 Problematika odezvy ..................... 11 2.5.1 Doba mezi vznikem informace a jejím sdílením 11 2.5.2 Zpoždění kvůli síťovému protokolu . 11 2.5.3 Skrývání odezvy a konzistence . 12 2.5.4 Interpolace . 12 2.5.5 Striktní konzistence . 12 2.5.6 Optimistická konzistence . 13 2.5.7 Kauzální konzistence . 14 2.6 Shrnutí ............................ 15 3 Tvorba prototypu 16 3.1 Záměr hry ........................... 16 3.2 Výběr nástrojů ........................ 16 3.3 Unity ............................. 16 3.4 Mirror ............................. 17 v 3.5 Další síťová rozšíření pro Unity ............... 18 3.6 Persistence ........................... 19 3.7 Připojování do hry ...................... 19 3.8 Scény ............................. 20 3.9 Herní levely .......................... 20 3.10 Čas .............................. 21 3.11 Periodicky sdílené informace ................. 22 3.12 Pohyb ............................. 23 3.13 Animace ............................ 24 3.14 NPC .............................. 25 3.15 Úkoly ............................. 26 3.16 Inventář a vzhled ....................... 26 3.17 Zprávy ............................ 26 3.18 Chat .............................. 26 3.19 Zkušenosti z vývoje ...................... 27 3.20 Grafický styl .......................... 27 3.20.1 Inspirace . 27 3.20.2 Barvy . 28 3.20.3 Písmo . 29 3.20.4 Logotyp . 30 3.20.5 Uživatelské rozhraní . 30 3.20.6 Grafický manuál . 30 4 Závěr 32 Bibliografie 34 A Přílohy 36 vi Seznam obrázků 2.1 Struktura systému v client-server modelu 8 2.2 Filtrování příjemců 9 2.3 Rozdílné výsledky simulace způsobené predikcí pohybu 14 3.1 Geometrie herních scén, pohled shora 21 3.2 Animátor obsahující animační stavy a přechody mezi nimi, tento graf zobrazuje všechny stavy pro pohyb a boj 25 3.3 Logotyp hry 28 3.4 Experimentální písmo 29 3.5 Uživatelské rozhraní 30 vii Úvod Hry tvoří prostředí pro mezilidskou komunikaci, kooperaci a soutě- žení. Online hry to umožňují v pohodlí domova, a dokonce přinášejí nové možnosti, jako jsou esporty. Díky moderním a mnohdy volně do- stupným herním enginům mohou hry na profesionální úrovni tvořit i jednotlivci či malé týmy. Avšak implementace síťové funkcionality je stále netriviální problém, který může určovat složitost realizace celého projektu. Vývojáři se musí potýkat se synchronizací herního stavu, který může sahat do všech částí systému, a různorodostí šířky pásma a odezvy v síti. Cílem této práce je seznámit se s typickými problémy, které jsou řešeny při vývoji online her, prozkoumat jejich řešení v závislosti na požadavcích hry, a implementovat prototyp online hry na základě zjištěných skutečností. Součástí prototypu bude i jeho grafický styl. 1 1 Slovník • Herní klient – aplikace umožňující připojení do online hry • Hráč – osoba využívající herní klient • Gameplay – hraní hry, průběh hry, interakce se hrou • Entita – objekt synchronizovaný mezi serverem a klientem • Postava – entita ovládaná hráčem • NPC (non-player character) – ekvivalent postavy ovládaný serverem • Simulace – průběh hry složený z diskrétních kroků • Herní engine – komplexní framework zajišťující vykreslování, fyziku, zvuk atd. • Odezva (latence) – čas cesty dat z klienta na server a zpět • Hostitel – server a klient tohoto serveru zároveň • Tahová (turn-based) hra – hra s explicitními tahy, které nevy- žadují rychlé reakce • MMO (massively multiplayer online) – žánr her s vysokým počtem současných hráčů • live-service hry – dlouhodobě udržované hry nabízené ve formě služby • REST – architektura webových služeb pro komunikaci pomocí bezstavových operací 2 2 Požadavky specifické pro síťování her 2.1 Úvod do síťování her Síťování je obor zabývající se komunikací mezi počítači [1]. Počítače se zapojují do sítě, která jim umožňuje výměnu informací. Komunikace mezi počítači je prostředkem pro mezilidskou komunikaci, sdílení zdrojů, zadávání a přenos dat. Referenční model ISO/OSI dělí fun- gování sítě mezi sedm vrstev, které řeší fungování sítě od fyzického propojení počítačů až po reprezentaci přenášených dat. V praxi Inter- net používá rodinu protokolů TCP/IP, která dělí fungování sítě mezi vrstvu síťového rozhraní, síťovou vrstvu, transportní vrstvu a aplikač- ní vrstvu. Tato práce se týká transportní a aplikační vrstvy – výběru z protokolů transportní vrstvy, udržování, zpracování a reprezentace sdílených dat. Obecně se síťování her od ostatních programů neliší. Účastníci hry se spojí pomocí vyhovujícího protokolu a svými akcemi modifikují společný herní svět. Jednoduché hry nic víc nevyžadují, ale pro do- sažení rychlé akce nebo masivního počtu současných hráčů je třeba věnovat síťovému řešení velkou pozornost. Čím více hráčů má zároveň komunikovat a čím rychleji probíhá herní simulace, tím větší objem dat se musí přenést mezi serverem a klienty. Pro složitější hry přestává být praktické v každém kroku si- mulace odesílat celý herní stav všem klientům. Naivní implementace může způsobit zahlcení datové linky, vysokou odezvu a přebyteč- nou zátěž serveru. Mimo to odezva jednotlivých klientů, pokud není kompenzována, může mít negativní dopad na hru [2]. Systém by měl: • Sdílet klientům informace, které jsou pro ně relevantní [3] • Minimalizovat objem sdílených dat, eliminovat datové špič- ky [4] • Udržovat přesnou, „férovou“ simulaci na straně serveru • Udržovat dojem plynulé simulace na straně klienta Výběrem z možných řešení těchto bodů vzniká kompromis mezi veli- kostí datového toku, odezvou a úplností informací, které klient dosta- ne. 3 2. Požadavky specifické pro síťování her Dalším neméně důležitým požadavkem, který získává na význa- mu u dlouhodobě udržovaných live-service her, je kvalitní architektura systému. Výběr platformy serveru záleží na potřebách hry, může jít od jednoduché aplikace až po distribuovaný systém. Pro programátora by mělo být jednoduše nastavitelné, která data (a s jakými vlastnostmi) má server sdílet, s možností manuální optimalizace přenášených dat. Mělo by být jednoduché dohledat původ sdílených dat, kvůli ladě- ní a optimalizaci. Ideálně by síťová funkcionalita neměla být pevně provázaná s ostatními částmi systému. 2.2 Podvádění Síťování her významně ovlivňuje možnost hráčů podvádět. Tzv. che- aty, hacky, exploity jsou způsoby přístupu ke skrytým datům nebo provedení nezamýšlených akcí. Všechna data na klientovi mohou být odhalena, neošetřené požadavky na server mohou být zneužity. Nej- lepší ochranou proti podvádění na klientech je neposílat jim žádná nadbytečná data, to ale není vždy možné. Většina přístupů představe- ných v dalších tématech je možností podvádění nějak ovlivněna. Při navrhování hry je třeba zvážit dopady podvádění – vzniká kompromis mezi technickou efektivitou systému a potenciálem ke zneužití. 2.3 Problematika architektury Při navrhování online hry je potřeba definovat celkovou architekturu systému. Na nejvyšší úrovni architektura určuje, jakým způsobem účastníci hry komunikují a čím jsou tito účastníci tvořeni [5, kap. 3]. Dva nejrozšířenější modely komunikace jsou client-server a peer-to- -peer. Na nižší úrovni je rozhodnutí, na jaké platformě systém stavět. 2.3.1 Client-server model Client-server je ve hrách nejpoužívanější a nejvíc prozkoumaný model. V tomto modelu server drží všechna herní data a klienti navzájem komunikují pouze přes server. Výhodou je, že server má absolutní autoritu nad simulací. Nevýhodou je, že server musí mít dostatek 4 2. Požadavky specifické pro síťování her výkonu pro udržení komunikace se všemi klienty a simulování celé hry, a šířku linky odpovídající všem klientům dohromady. Potřebný výkon se dá snížit použitím hybridního modelu. Server jedná jako prostředník (tzv. matchmaking server), který rozdělí klien- ty na skupiny a v každé skupině určí klienta s nejlepším připojením hostitelem jedné instance hry. Alternativně