架构|做个几万人一起玩的《荒野大镖客》有可能吗？
剥离设计和玩法 ， 让我们从技术的角度解析这个问题 。
多人游戏的规模 ， 一直是个让人捉摸不透的问题 。 从MUD发展而来的MMORPG ， 同时在线人数超过五位数的并不少见 ， 但到了《方舟：生存进化》《ATLAS》和"吃鸡类"的作品中 ， 服务器、或者说一个房间容纳的人数一般在70到200之间徘徊 。
估计有不少玩家曾经幻想过 ， 将《荒野大镖客：救赎2》这样细致入微的单人体验塑造成大型MMO ， 上万名牛仔在西部世界里快意恩仇、何其壮观 。 但即使是技术力如此之强的Rockstar ， 也只敢采取"32人战局"的设计方式 ， 并在删减了一些内容的情况下推出《荒野大镖客Online》 。
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有时候 ， 扩充多人游戏规模的瓶颈 ， 还不单单只是愿不愿意花钱买服务器的问题 。 抛开设计、玩法上的考虑 ， 许多开发团队面临着"想做大却没法做大"的技术窘境 。 《绝地求生》跟《堡垒之夜》将人数设置在100 ， 也未必全是讨个好彩头 。 你要说蓝洞和Epic想要致敬高见广春的小说《大逃杀》 ， 那应该也是构思42人相互厮杀的世界 。
巧的是 ， 今年我在CJ逛展时结识了田桑 。 他过去曾在EA负责线上游戏的功能设计 ， 后来又任职英礴（Improbable)的游戏解决方案工程师 ， 跟进过5个MMO项目 ， 十分了解多人在线游戏的构造 。 我们从"吃鸡"的人数聊到《荒野大镖客：救赎2》的多人模式 ， 于是就有了这篇科普 。
为什么MMORPG能支持上万人
线上多人游戏的规模能到今天这个程度 ， 肯定不是一蹴而就的 。 1996年的MUD《侠客行》最早是在大学里设置的服务器 ， 当玩家规模增长到1000人同时在线时 ， 其负载瞬间就被推到了极限 。
同时期图形化的网游显得更加"寒碜" ， 由于网络游戏的用户存在多个状态 ， 如果说文字MUD仅仅是用一句话来描述 ， 那图形化的状态可能要涉及到位置、动作、频率等诸多因素 ， 每秒钟得同步非常多次 ， 导致数据的容量特别大 。 因此号称领先于时代的《子午线59》 ， 一个服务器能够容纳的人数也只不过250人 。
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当然 ， 那个年代《子午线59》的同屏人数已经足够震撼了
《网络创世纪》的制作团队当时没少为用户规模这事操心 ， 在Alpha测试的时候他们就觉得250人离"大型多人互动"的概念还有些距离 ， 于是Beta测试前是又是买硬件又是研究新技术 。 到了1997年 ， 这群人在BUG一堆的情况下硬是把能够同时容纳的并发人数怼到3000 ， 导致后来不少漏洞被玩家利用 。
在田桑看来 ， 因为90年代是个快速发展的时代 ， 他理解的早期用户规模扩容偏向堆带宽和硬件 。 只不过现在成本的越来越高 ， 采取这种方法的代价太大 ， 一个侧面现象就是CPU的主频很多年来没有太大提升 。 而从技术的角度来说 ， 传统MMORPG使用的架构是C/S（服务器-客户机） ， 作为一个被应用了10多年的架构 ， 广泛存在于《Runescape》《魔兽世界》等作品的设计中 ， 它可以说是网络游戏支持上万人同时在线的基础 。
从名字就能看出来 ， C/S最早是两层结构 ， 客户机也就是玩家电脑（主机）负责渲染 ， 服务器处理游戏逻辑 。 后来又加了一层"数据库" ， 搭载了用于保存游戏结果的存储器 ， 估计也不用做太多科普 。
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一个典型的 C/S 架构交互
为了保证用户的规模足够大 ， 传统MMORPG在"保真度"上做了很多牺牲 。 所谓的保真度可以简单理解成游戏的细致程度 ， 包括物理模拟 ， 比如撞墙之后产生反作用力 ， 或是像《半条命2》那样实打实的把罐子握在手里捡起来；也包括延迟和同步 ， 比如动作游戏和FPS游戏对服务器帧率都有非常高的要求 。
根据田桑的解释 ， 传统C/S的客户端不做模拟 ， 或者是比较轻量的模拟 ， 它们把这些状态以比较低的频率发到服务器 ， 对服务器的负载要求较低 ， 因此就可以允许更多的玩家同时在线 。
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《黑色沙漠》在 MMORPG 里的保真度算是不错 ， 但相比单人游戏还是差了一截
保真度的差异 ， 我们甚至能从单机游戏和MMO的渲染逻辑中看出来 。 单机游戏的图像会尽可能从GPU中加载 ， 理想状态下最好能做到不访问硬盘和主存 。 《超级马力欧兄弟》每个关卡中的方块、每个怪物出现的位置都是固定的 ， 角色、敌人和场景在游戏启动时就渲染读取完毕 ， 进而放到GPU内存中 。
而MMO中更多引入了"其它玩家"的变量 ， 加上其技能、特效、位置的无数种组合 ， 基本无法提前确定要渲染的东西 ， 因此只能动态的从主存和硬盘读取纹理等数据 。 客户端与服务器的交互最先只确定玩家位置 ， 本地先进行轮廓渲染 ， 再在保持帧率的前提下一点点把画面读出来 ， 体验肯定要差一些 。
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突然冒出来这么多人 ， 在线多人游戏的图像具有不可预测性
事实上 ， 在牺牲了保真度的前提下 ， 要保证用户的规模够大 ， 尽可能降低服务器负载 ， C/S架构仍然需要写一个极其复杂的后端 。 从《魔兽世界》的处理方式不难看出 ， 那个年代暴雪工程师的天赋何其之高 。
最常见的就是"空间分割法" ， 即把游戏中的地理（地图）进行分割 ， 逐一分配给不同的服务器进程或者设备 。
【架构|做个几万人一起玩的《荒野大镖客》有可能吗？】
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空间分割法
一个变种是"空间复制法" ， 即把世界复制很多份 ， 每份单独塞到一个服务器；而为了解决玩家因刷宝、挑战高难度怪物而大量聚集起来的问题 ， 他们又研究出"实例法" ， 单以副本的方式为每波玩家提供极其有限的地区 。
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空间复制法
因此在田桑的眼中 ， 基于C/S的MMORPG有着相当高的技术门槛：
"市场喜好抛开不说 。 MMORPG的技术门槛就要比DS高 。 UE的DS我个人觉得就是一个非常棒的产品 ， 像做《方舟：生存进化》的 ， 还有其它很多工作室 ， 他们没有多少后端积累 ， 就可以把游戏做到那个量级 。 "
而这里提到的 DS（Dedicated Server ， 专用服务器） ， 不仅是当下很多主流在线多人游戏都会使用的技术 ， 也恰好能够解答"为什么「吃鸡」的玩家得是 100 人"的问题（当然DS和C/S不是同一类概念） 。
为什么一局吃鸡的玩家得是100人
首先得声明100人只是个数量级 ， 并非锱铢必究的数字 。
简单来说 ， DS可以比喻成"房间制" 。 好比《绝地求生》《堡垒之夜》《战地5》和《我的世界》 ， 一个服务器（独立主机）对应一个房间 ， 然后这个房间大致能够容纳两位数到三位数的玩家 。
目前市面上主流的游戏引擎 ， 如虚幻和Unity为线上多人游戏提供的解决方案都是DS 。 这是一种能最大限度提高网游保真度的架构 ， 它最早的目的就是为了解决FPS的同步问题 ， 追求高精度、低延迟 ， 涵盖客户端预测、服务器校验 ， 延迟补偿等多种技术 。
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《GTA5》的战局也是一个 DS
田桑拿虚幻引擎举了个例子："DS结构下 ， 引擎是带到服务器上运行的 ， 客户端渲染相关的部分被剥离出来了 ， 运行的是物理、AI等纯逻辑 。 由于服务器能运行物理计算 ， 所以联网游戏可以做到物理的同步 ， 就可以实现很真实的游戏体验 。 "
在虚幻引擎的DS下 ， 服务器便承担了计算碰撞同步的任务 ， 例如判定武器有没有命中 ， 环境爆炸产生的碎片轨迹这些东西 。 而且角色的AI行为树同步也依赖DS ， 所以服务器会高频率地处理状态 ， 负载非常大 。 这导致DS架构虽然有着支持高保真度游戏的优点 ， 同样也具备高消耗、低承载的缺点 。
一个典型例子是《光环5》的战区模式 。 这个用到DS架构的模式 ， 支持的最大玩家数是24人 ， 而且对于AI、载体和目标的数量都有相应限制 ， 原因正是要确保不会超过服务器的承载量 。 为此开发团队简化了AI逻辑 ， 因此在战区模式下NPC会显得比战役中的要"蠢" 。
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如果延续C/S架构下的扩容思路 ， 玩家们可能会感到困惑--一台服务器负载太高 ， 你加几台服务器不就完事了么？
然而 ， DS架构在这一点上还受限于游戏引擎：
"虚幻引擎的主要逻辑是单线程运行 ， 如果把服务器的主频性能 ， 比如从16核变成32核 ， 能够负载的人数其实是不能增加的 。 而且就算从一台机器增加到两台机器 ， 可容纳的玩家数量也不会变化 ， 因为有一个技术架构的限制……至于增加核心数有没有用 ， 这个还要看引擎本身是否支持多线程扩展 。 "
Epic有一段时间为了《堡垒之夜》能支持100人共斗绞尽脑汁 ， 对虚幻引擎做了不少优化 。 比如在跳伞降落的过程中 ， 主动降低远程调用所需要的带宽；又比如限制客户端向服务器发送移动更新的频率 ， 避免因为客户端帧率过高 ， 最终导致服务器过度负载 。
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Epic曾提到过一个观点 ， 既然一家公司都要做大型MMO了 ， 那肯定有自己独特的要求和后端解决方案 ， 依样画葫芦地照搬他们的DS不太适合 ， 虚幻本身去研究扩容的事情可能会比较鸡肋 ， 鼓励开发者基于这项技术自己想办法 。
而主要逻辑是单线程运行的Unity ， 其实或多或少也和虚幻引擎一样需要面临同样的问题 。
做个几万人的《荒野大镖客》有没有可能
从上面两个部分的论述来看 ， 不难发现如今线上多人游戏面临一个两难的局面 。 要么就沿用传统C/S ， 自己写后端 ， 以降低保真度为代价追求规模；要么就拿DS架构办事 ， 缩小规模 ， 提高保真度 。
但有没有办法将它们融合起来呢？其实很多开发团队都在思考这个问题 。
市面上有着这样特性的产品不多 ， "褒贬不一"的海盗冒险多人游戏《ATLAS》勉强算一个 。 抛开产品品质的问题 ， 《ATLAS》用的就是DS架构 ， 而且"理论上"支持40000名玩家同时游玩 。
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《ATLAS》
他们的做法 ， 是在DS外自己写了世界服务器和数据服务器的后端 。 先把多个DS实例给拼起来 ， 再由世界服务器统一负责管理--比如只要玩家过地图 ， 就把玩家的数据搬到另一台服务器 。 其实可以类比成《魔兽世界》的"空间分割法" ， 当然明显能够看出技术不怎么成熟 ， Steam上负面评价最多的地方就是"卡"和"连不上" 。
英礴本来也打算打造一个庞大的、高保真度的游戏世界 ， 结果发现技术方面都是坑 。 于是干脆先把DS的问题捋清 ， 降低日后游戏制作的门槛和风险 ， 因此催生出了一个解决方案（工具）：SpatialOS 。
SpatialOS是一个基于底层公有云资源的游戏开发环境 。 它一方面会给你提供云端的服务器托管 ， 一方面给予技术支持 ， 类似于一个多功能插件 。 这个工具可以很简单的接入虚幻和Unity引擎 ， 甚至任何其他第三方引擎 ， 它主要提供在DS架构下扩充多人游戏规模的手段 。
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其中一个扩容思路和《ATLAS》有点像 ， 如果一个DS不够用 ， 就把多个DS拼接起来统一管控 。 因为SpatialOS虚幻开发套件的方向就是走多进程 ， 这样更容易利用多核甚至多机器的计算资源 ， 可以突破传统DS的限制--简而言之就是给游戏加服务器有用了 。
上面这段话有点绕 ， 直接看"把DS拼起来"的示例图更加直观 。 下图中9个方块代表9个DS ， 每个游戏服务器的管辖区域分别由不同颜色代表 ， 玩家不仅可以无缝跨越服务器边界 ， 也能和不同区域的其它玩家互动 。
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据田桑解释 ， 这背后的秘密是9个DS之上有一个"网络层" ， 它才真正负责所有游戏状态的管理 。 一个DS是一个区 ， 通过这个管理层将所有区弥合起来 。 客户端连到这个管理层 ， 而不是所有的DS之上 。
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利用多个游戏服务器来模拟游戏世界的不同区域
说到分层这个概念 ， SpatialOS中还有项名为"AI负载拆分"的功能 ， 正好能解决前文《光环5》战区模式的问题 。 理论是 ， 如果把AI的负载扔到另一个服务器 ， 那不就为玩家扩容腾出空间了吗 ， 而且还不必让NPC变"蠢" ， 可谓一举两得 。
这种方法可以采取的应用很广 ， 对延迟要求不高 ， 和核心系统（如物理）耦合度不高的东西都可以拆分出来 ， 比如天气系统 。 分出来的层 ， 则基于云放到另一台虚拟机上 。
英礴本身做了一些实验 ， 使用原生虚幻引擎的情况下 ， 在已有100名玩家的基础上最多可以运行229个AI；而将AI负载扔到另一个服务器后 ， 维持相同服务器帧率的前提下AI数量可以达到479个 ， 相当于扩容了一倍 。
目前正在测试的冒险生存游戏《拾荒者》（Scavengers） ， 刚好就采用了AI负载拆分的技术 。 开发商MidwinterEntertainment表示玩家会在游戏中遭遇极端天气、怪物肆虐 ， 外来入侵者以及敌对玩家团队等各方面的威胁 。 而AI负载拆分使得他们在3x3公里的地图内 ， 一方面保证了这些高保真度的体验 ， 一方面又实现了"60名玩家+300个AI"的规模 。
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当然 ， 尽管分层看起来很牛逼 ， 但银弹却是不存在的 ， 田桑举了个例子：
"假设A1区域有10000人 ， 负载不下了 。 那要么把A1切成A1和A2 ， 分别放5000人 ， 也可能是在A1上面再加一层 ， 这都是开发者自己去控制的 。 但是这个事情会带来成本 ， 因为两个区间之间有大量通信 ， 要靠服务器硬件来堆 。
比如一个服务器要从1000人扩容到3000人 ， 那就分三层……如果每层额外带来的性能损耗是50% ， 每一层实际只能跑500人 ， 三层只有1500人 。 那你又得多分几层 ， 这时候的损耗可能又不止50%了 。 "
所以 ， 要想在DS架构下把玩家的规模扩大 ， 得综合多种方法 。 SpatialOS实际上还有一套名为QBI的系统 ， 可以自定义降低同步频率 ， 解决一些网络负载的问题 。 比如其中一个表现就是令距离玩家较近的活动物体看起来更顺畅 ， 越远"越卡" ， 主要是看开发者如何发挥想象 。
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正如之前提到的技术限制 ， MMORPG人数规模很大 ， 可以达到几千上万人 ， 但基本集中在社交、打怪 ， 或者是副本的交互方式 ， 很少见到有真实的物理模拟 。 另外一个方向是像《堡垒之夜》《方舟：生存进化》这样的游戏 ， 它们有些地方做得很细致 ， 但人数又容易碰到瓶颈 ， 通常就是房间制的 。
由此引申到能不能做"容纳几万人的《荒野大镖客：救赎2》"的问题 ， 田桑认为理论上是可行的 ， 只是还没有开发者触及到这根线 。 而且即使解决了技术问题后 ， 话题就又回到了无法回避的开发风险和成本 。
不过 ， 未来这两种需求应该会交汇到一起 ， 使得线上多人游戏在现今的标准上再进一步：一方面能支持更多玩家 ， 一方面又能保证更真实的模拟 。 至少有人目前正在朝着这个方向努力 ， 或许再过不久 ， 有着高保真度的大型多人在线游戏就不再仅仅停留在幻想中 。
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