基于Select多路復(fù)用的游戲服務(wù)端框架研究與實(shí)現(xiàn)

章國雁

（安徽工商職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥230001）

一、引 言

網(wǎng)絡(luò)游戲（Online Game）是指由軟件程序和信息數(shù)據(jù)構(gòu)成，通常以客戶端、網(wǎng)頁瀏覽器和包括移動(dòng)電話、聯(lián)網(wǎng)游戲機(jī)等各類信息設(shè)備的其他移動(dòng)終端為載體，以游戲運(yùn)營商服務(wù)器為處理器，以互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸媒介的游戲產(chǎn)品及服務(wù)[1]。網(wǎng)絡(luò)游戲依據(jù)載體的不同，包括基于普通PC 機(jī)的端游、基于瀏覽器運(yùn)行的頁游、基于XBOX、PS4等的主機(jī)游戲、基于手機(jī)/iPad等移動(dòng)設(shè)備的手游。其中，端游由于運(yùn)行在PC 機(jī)平臺(tái)上，該種類游戲一般制作較為精良，畫面效果較好，受眾玩家對(duì)游戲的要求也更高一些；頁游主要運(yùn)行在瀏覽器上，直接打開即可運(yùn)行游戲，該種類游戲往往畫面效果較為一般，但由于不用下載游戲文件，打開網(wǎng)頁可直接開始玩，較為便捷，受眾群體多為對(duì)游戲畫面和玩法要求不高的玩家；主機(jī)游戲的畫面效果最好，制作最為精良，但要求有配套的主機(jī)設(shè)備，游戲操作對(duì)玩家的專業(yè)性要求也更高；手游受益于近些年手機(jī)和iPad等移動(dòng)端用戶的大量增加，該種類游戲玩法和畫面效果好于頁游，較好地利用了用戶的空余間隔，玩法較為簡便，是目前為止發(fā)展較好的類別。

二、服務(wù)端關(guān)鍵技術(shù)

1.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是保障網(wǎng)絡(luò)游戲基本通信的前提，合理地選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將使游戲更加高效、穩(wěn)定和安全[2]。傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）是網(wǎng)絡(luò)游戲研發(fā)中常用的兩個(gè)協(xié)議。

傳輸控制協(xié)議作為一種面向有連接的協(xié)議，位于傳輸層，服務(wù)可靠性非常高，為了便于傳輸，將大塊的數(shù)據(jù)包以報(bào)文段為單位進(jìn)行分割，方便數(shù)據(jù)管理。傳輸控制協(xié)議之所以擁有可靠性，是該協(xié)議能夠把數(shù)據(jù)無誤地傳到對(duì)方，針對(duì)丟包可以進(jìn)行重發(fā)，對(duì)次序錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)行順序調(diào)整；還具有控制通信流量的功能，發(fā)送數(shù)據(jù)前先確認(rèn)通信對(duì)方是否存在，不存在不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。通常傳輸控制協(xié)議連接會(huì)有三次“握手”建立，斷開連接要經(jīng)過四次。

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議是無連接、不可靠的協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)前不確認(rèn)通信對(duì)方是否存在，直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，因此并不能確認(rèn)該數(shù)據(jù)是否到達(dá)終端節(jié)點(diǎn)，也不能確認(rèn)數(shù)據(jù)到達(dá)的順序是否正確。

2.Socket（套接字）

Socket（套接字）由端口號(hào)拼接IP 地址構(gòu)成，它是傳輸層實(shí)現(xiàn)端到端通信的一個(gè)端點(diǎn)，每一次連接都有兩個(gè)端點(diǎn)，套接字表示形式為主機(jī)IP 地址：主機(jī)16位端口號(hào)。假設(shè)一個(gè)IP地址為202.57.134.29，端口號(hào)為85 的主機(jī)，那么其套接字形式為（202.57.134.29：85）。

3.I/O模型

Select 模式是 Winsock 中最常見的 I/O 模型[3]。它主要是使用select 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O的管理，并判斷套接字上是否能寫入或者存在數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)核檢測到進(jìn)程的1個(gè)或者多個(gè)I/O條件準(zhǔn)備完畢時(shí)，Select 多路復(fù)用模式會(huì)通知該進(jìn)程。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于減少了系統(tǒng)開銷，系統(tǒng)不必頻繁創(chuàng)建和維護(hù)大量的進(jìn)程或者線程。

4.分布式數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)游戲功能復(fù)雜，玩家需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，除了基本的用戶賬號(hào)、密碼等信息外，還有游戲角色相關(guān)的大量數(shù)據(jù)需要在數(shù)據(jù)庫中長期保存。由于網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)Ξ嬅鎮(zhèn)鬏數(shù)耐叫砸筝^高，如果數(shù)據(jù)庫采用同步的模式，網(wǎng)絡(luò)延遲較大。可以使用分布式數(shù)據(jù)庫，采用異步的方式對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。

三、通用服務(wù)端框架設(shè)計(jì)

游戲服務(wù)端主要任務(wù)是接收和處理游戲客戶端發(fā)送過來的大量信息，以及存儲(chǔ)和讀取玩家賬號(hào)角色相關(guān)的數(shù)據(jù)，依據(jù)這一任務(wù)內(nèi)涵，一款通用的小型網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)端框架可以按圖1 方式實(shí)現(xiàn)，采用Select 多路復(fù)用服務(wù)端架構(gòu)，“網(wǎng)絡(luò)底層”模塊位于架構(gòu)的底層，主要功能為處理數(shù)據(jù)粘包半包、協(xié)議解析等，主要代碼封裝在NetManager 類中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；“消息處理”模塊屬于架構(gòu)的邏輯層，如客戶端向服務(wù)端發(fā)送“移動(dòng)”協(xié)議時(shí)，服務(wù)端在該模塊中記錄玩家的位置信息，然后把“移動(dòng)”協(xié)議廣播給所有在線的客戶端，其他客戶端收到信息后根據(jù)最新的數(shù)據(jù)更新其對(duì)應(yīng)玩家的位置；“事件處理”模塊主要處理玩家的上線和下線操作，玩家新上線時(shí)，首先需要讀取數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)，然后初始化角色信息，當(dāng)玩家下線時(shí)，需要保存玩家的最新數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中等。“數(shù)據(jù)庫底層”模塊包含游戲數(shù)據(jù)的新增、讀取、修改、刪除等功能，例如賬戶登錄時(shí)密碼的校驗(yàn)、新玩家注冊(cè)時(shí)賬戶名的重復(fù)性檢測、玩家數(shù)據(jù)（如等級(jí)）的讀取等，是服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫本身數(shù)據(jù)通信的中介。“存儲(chǔ)處理”模塊主要是區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式，游戲中有些數(shù)據(jù)，如玩家等級(jí)、金幣、裝備、經(jīng)驗(yàn)值等需要長期保存，有些則可以臨時(shí)保存。

該框架在網(wǎng)絡(luò)帶寬較好地情況下，可承載1 萬名左右玩家同時(shí)在線游戲，可保持較好的游戲體驗(yàn)。該服務(wù)端框架采用TCP 協(xié)議進(jìn)行通信，使用Json 進(jìn)行通信編碼，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫保存玩家數(shù)據(jù)。

圖1 服務(wù)端框架

四、通用服務(wù)端框架實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端程序具有粘包半包處理、協(xié)議解析、心跳機(jī)制、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等功能。

1.網(wǎng)絡(luò)管理器NetManager功能

服務(wù)端框架中“網(wǎng)絡(luò)底層”模塊的核心部分主要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建監(jiān)聽套接字listenSocket、管理客戶端狀態(tài)列表checkReadList、綁定、開啟端口監(jiān)聽（服務(wù)器啟動(dòng)成功）、Select 多路復(fù)用檢測可讀對(duì)象、新客戶端連接處理ReadListenSocket、客戶端消息處理ReadCliendfd、定時(shí)器等功能，服務(wù)端進(jìn)入StartServerLoop循環(huán)狀態(tài)，其核心代碼如下：

2.協(xié)議解析

采用Json 編碼解碼，其格式簡介、層次結(jié)構(gòu)清晰，不但便于人去閱讀和編寫，也便于機(jī)器去解析和生成，采用Json 編碼的方式可以提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率。

.net 內(nèi)置了編碼解碼Json 的方法“JavaScriptJ-sonSerializer”，需要手動(dòng)引用System.web.Extensions命名空間。Json編碼解碼的代碼如下：

3.心跳機(jī)制

如果客戶端掉線或者信號(hào)不好導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷開，服務(wù)端應(yīng)該能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并釋放資源，對(duì)單個(gè)客戶端來說，資源的釋放作用不是很明顯，因?yàn)閱蝹€(gè)客戶端只有一個(gè)Socket 占用資源，而對(duì)服務(wù)端來說卻是連接著幾萬甚至幾十萬的資源，如果不能主動(dòng)釋放斷開的資源，將造成服務(wù)端資源被大量占用。

心跳機(jī)制用于避免出現(xiàn)類似的情況，TCP 協(xié)議本身具有心跳機(jī)制，但需要等待2 小時(shí)才會(huì)釋放資源，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)游戲來說，顯然是不適用的，因此目前業(yè)內(nèi)主要是自行實(shí)現(xiàn)心跳機(jī)制，客戶端在固定時(shí)間間隔給服務(wù)端發(fā)送PING 協(xié)議，服務(wù)端在固定時(shí)間間隔收到后響應(yīng)發(fā)送PONG 協(xié)議；假設(shè)服務(wù)端在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)不順暢或者客戶端掉線沒有收到PING 協(xié)議，則可以判斷客戶端已經(jīng)掉線，釋放回收該資源用于其他客戶端；同樣，假設(shè)客戶端較長時(shí)間內(nèi)沒有收到PONG 協(xié)議，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)斷開或者服務(wù)端已經(jīng)宕機(jī)，客戶端可以釋放自身的資源。

4.數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)游戲中的數(shù)據(jù)量十分龐大，玩家數(shù)據(jù)有些必須在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行長期存儲(chǔ)，有些只需要臨時(shí)存儲(chǔ)即可，例如用戶賬號(hào)和密碼、玩家的金幣、等級(jí)、裝備種類、任務(wù)等，這些信息時(shí)刻受到玩家關(guān)注，需要長期存儲(chǔ)，方便玩家上線后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用；但有些數(shù)據(jù)，例如玩家的當(dāng)前位置信息只需臨時(shí)存儲(chǔ)，玩家重新上線后會(huì)被重置。在Player對(duì)象中設(shè)定一個(gè)PlayerData 類型的對(duì)象，用來保存所有需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫的信息，以昵稱、金幣、等級(jí)三個(gè)屬性為例。代碼如下：

游戲開發(fā)中使用最多的是MySQL數(shù)據(jù)庫，當(dāng)服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，通過發(fā)送SQL語句進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作，包括新增、修改、讀取、刪除等操作。配置MySQL數(shù)據(jù)庫分為兩個(gè)步驟，一是安裝MySQL 服務(wù)器，開始監(jiān)聽端口；二是使用第三方庫來編碼和解碼MySQL 特定形式的協(xié)議。采用Navicat 軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，新建數(shù)據(jù)庫名為“game”，新建“account”表和“player”表，如圖2所示。

圖2 MySQL數(shù)據(jù)庫表

五、服務(wù)端運(yùn)行及測試

服務(wù)端框架搭建成功后，如圖3 所示，連接成功，服務(wù)端啟動(dòng)，開始對(duì)服務(wù)端進(jìn)行監(jiān)聽，客戶端使用Unity3D游戲引擎進(jìn)行功能測試，客戶端連接、賬號(hào)注冊(cè)、登錄、心跳機(jī)制、客戶端斷開等功能正常運(yùn)行。

六、結(jié)束語

圖3 服務(wù)端測試

基于Select多路復(fù)用的通用服務(wù)端框架是一套功能較為完備的C#通用服務(wù)端程序，可用于小規(guī)模同時(shí)在線，為網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)端開發(fā)商業(yè)應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考。