GAMES104：网络游戏的进阶架构（上）

课程：GAMES104《现代游戏引擎：从入门到实践》
第 19 讲（上）：网络游戏的进阶架构
本地视频时长：约 1 小时 09 分钟

一、本讲概览

网络同步的难点不只是“把状态发给客户端”，而是如何在有限带宽和不可避免的延迟下，让画面看起来连续、操作感觉及时，同时保留服务器权威。

上一讲已经建立了状态同步、客户端预测和服务器校正的基本框架。本讲进一步研究两个直接影响玩家体验的问题：

• 角色移动复制：远端角色的状态更新频率远低于渲染频率，如何让运动保持平滑。
• 命中判定：玩家看到的是延迟后的世界，服务器如何公平判断“这一枪是否命中”。

课程围绕插值、外推、Dead Reckoning、速度混合、碰撞问题、客户端与服务器命中判定、Hitscan、Projectile 和 Lag Compensation 展开。

二、学习目标

• 理解网络快照、模拟状态和渲染状态之间的区别。
• 掌握插值与外推的基本公式、用途和局限。
• 理解 Dead Reckoning 如何根据速度和加速度预测远端对象。
• 掌握新快照到达后的误差修正与速度混合思想。
• 理解预测对象与真实物理世界发生碰撞时为何容易产生异常。
• 区分客户端命中检测和服务器命中检测。
• 区分 Hitscan 武器和 Projectile 武器的网络语义。
• 理解服务器状态回溯式延迟补偿的完整过程。
• 认识掩体后中弹、探头优势等无法被算法完全消除的取舍。

三、网络角色为什么会抖动

服务器通常不会以渲染帧率发送角色状态。例如：

• 服务器每秒发送 10 到 30 个状态快照。
• 客户端可能每秒渲染 60 到 144 帧。
• 快照还会受延迟、抖动、丢包和乱序影响。

如果客户端每收到一个快照就把角色瞬移到新位置，远端对象会表现为：

• 停顿后跳跃。
• 速度忽快忽慢。
• 转向不连续。
• 丢包时长时间静止。

因此，网络状态不能直接等同于最终渲染状态。客户端需要在稀疏快照之间构造平滑运动。

四、角色状态复制的三种时间

网络角色通常同时涉及三条时间线：

时间	含义
服务器模拟时间	权威游戏世界实际推进到的位置
客户端接收时间	快照经过网络后抵达客户端的时间
客户端渲染时间	客户端真正向玩家显示的时间

渲染时间可以落后服务器一小段，以保证手中同时拥有两个已知快照；也可以尝试预测服务器当前或未来状态。

由此产生两类基本技术：

• 插值：在两个已知状态之间计算中间状态。
• 外推：根据旧状态预测尚未收到的新状态。

五、插值

1. 基本思想

插值不猜测未知未来，而是在两个已经收到的快照之间生成中间状态。

设两个快照为：

$$ S_A = (t_A, \mathbf{p}_A) $$

$$ S_B = (t_B, \mathbf{p}_B) $$

渲染时刻 $t$ 满足 $t_A \leq t \leq t_B$，插值参数为：

$$ \alpha

\frac{t-t_A}{t_B-t_A} $$

线性位置插值为：

$$ \mathbf{p}(t)

(1-\alpha)\mathbf{p}_A +\alpha\mathbf{p}_B $$

也可写为：

$$ \mathbf{p}(t)

\mathbf{p}_A +\alpha (\mathbf{p}_B-\mathbf{p}_A) $$

2. 插值缓冲

为了确保 $S_B$ 已经到达，客户端故意把远端对象显示在过去：

$$ t_{\text{render}}

t_{\text{local}}-T_{\text{buffer}} $$

$T_{\text{buffer}}$ 越大，越能吸收抖动和丢包；但远端角色在画面中也越落后于服务器真实状态。

3. 旋转与其他属性

位置可以线性插值，旋转通常使用四元数球面插值或归一化线性插值。动画参数、速度、生命值和姿态也需要按各自语义处理。

离散事件不能简单插值。例如开枪、跳跃开始或死亡必须以事件语义触发。

4. 优点

• 不会基于错误趋势持续预测。
• 运动稳定，突变较少。
• 对高加速度和频繁转向更可靠。
• 适合 FPS、MOBA 等方向变化快的角色。

5. 缺点

• 必然增加一段显示延迟。
• 缓冲耗尽时仍会卡顿。
• 玩家看到的是远端对象的过去位置。
• 后续命中判定必须考虑这段插值偏移。

六、外推

1. 基本思想

外推根据最后一个已知状态预测未来。若已知位置 $\mathbf{p}_0$、速度 $\mathbf{v}_0$ 和加速度 $\mathbf{a}_0$，经过 $\Delta t$ 后可估计：

$$ \hat{\mathbf{p}}(t)

\mathbf{p}_0 +\mathbf{v}_0\Delta t +\frac{1}{2} \mathbf{a}_0\Delta t^2 $$

速度估计为：

$$ \hat{\mathbf{v}}(t)

\mathbf{v}_0 +\mathbf{a}_0\Delta t $$

2. 优点

• 不必故意落后于服务器。
• 网络更新之间仍可持续运动。
• 对速度稳定、轨迹可预测的对象效果好。
• 可降低低频同步造成的停顿感。

3. 缺点

外推依赖运动趋势保持不变。一旦角色突然：

• 转向。
• 急停。
• 跳跃。
• 受到碰撞。
• 被控制技能打断。

预测就会偏离真实状态。预测时间越长，误差通常越大。

4. 适用场景

外推更适合：

• 车辆、飞机和船只。
• 惯性较强、轨迹连续的对象。
• 加速度变化较慢的运动。

高机动角色通常更适合插值，或只进行非常短时间的受限外推。

七、插值与外推对比

维度	插值	外推
使用的数据	两个已知快照	最后一个已知快照及运动量
时间位置	显示过去	预测现在或未来
平滑性	通常稳定	预测正确时平滑
固有延迟	较高	较低
误差风险	较低	随预测时间增加
适合对象	高频转向角色	惯性明显的载具
丢包表现	缓冲足够时稳定	可短时继续运动

实际系统常混合使用：优先插值，缓冲暂时断裂时进行短时外推，超过上限后冻结或使用其他降级策略。

八、Dead Reckoning

1. 定义

Dead Reckoning 根据最近收到的位置、速度、加速度和方向，估计对象当前应处于的位置。

它不仅是一条运动公式，还包含完整策略：

• 何时发送新状态。
• 客户端如何预测。
• 误差多大时开始修正。
• 修正持续多久。
• 哪些状态变化必须立即同步。

2. 基于误差的更新

服务器或发送方可以预测接收方当前大概显示的位置。当真实状态与预测状态的误差超过阈值时，发送新快照：

$$ \left| \mathbf{p}_{\text{real}}

\mathbf{p}_{\text{predicted}} \right|

\varepsilon_p $$

旋转和速度也可设置独立阈值。这样可以避免按照固定高频率发送所有对象。

3. 误差阈值的取舍

• 阈值小：更准确，但带宽更高。
• 阈值大：带宽更低，但纠正更明显。
• 高速或近距离对象应使用更严格阈值。
• 远处或不重要对象可以降低更新精度。

九、新快照到达后的修正

1. 立即跳转

最简单的方法是直接把预测对象设置到权威位置。其优点是逻辑误差立刻消失，缺点是画面会发生 Warp 或 Snap。

2. 平滑位置修正

可以把当前显示位置 $\mathbf{p}_c$ 平滑拉向权威位置 $\mathbf{p}_s$：

$$ \mathbf{p}_{\text{display}}

\operatorname{Lerp} (\mathbf{p}_c, \mathbf{p}_s, \beta) $$

小误差适合平滑修正；大误差或非法位置则应立即校正，避免对象继续穿墙或影响 Gameplay。

3. 速度修正

只修改位置会让速度突然变化。更自然的方案是在一段时间内混合旧速度和新快照推导的速度。

设修正开始于 $t_0$，计划在 $t_B$ 完成，则：

$$ \lambda

\frac{t-t_0}{t_B-t_0} $$

混合速度可表示为：

$$ \mathbf{v}_t

\mathbf{v}_0 +\lambda (\mathbf{v}_0’-\mathbf{v}_0) $$

其中 $\mathbf{v}_0$ 是当前预测速度，$\mathbf{v}_0’$ 是根据新快照得到的目标速度。

用混合速度继续投影：

$$ \mathbf{p}_t

\mathbf{p}_0 +\mathbf{v}_t\Delta t +\frac{1}{2} \mathbf{a}_0’\Delta t^2 $$

再将投影位置与目标轨迹进行平滑组合：

$$ \mathbf{p}_d

\mathbf{p}_t +\lambda (\mathbf{p}_t’-\mathbf{p}_t) $$

这种 Projective Velocity Blending 同时调整位置和运动趋势，可减少明显跳变。

十、修正系统需要区分逻辑与表现

网络复制常至少维护两种状态：

• 逻辑状态：参与碰撞、判定和 Gameplay。
• 表现状态：用于画面平滑。

权威修正应先让逻辑状态回到合法位置；表现状态可以在短时间内跟随逻辑状态。

若把一个平滑中的表现对象直接作为真实刚体参与模拟，可能产生：

• 重复碰撞。
• 预测副本把本地权威对象推开。
• 修正速度被物理系统放大。
• 刚体能量异常。
• 来回振荡。

因此，远端复制对象常使用运动学刚体、查询专用碰撞体或简化碰撞，而不是与本地权威刚体进行完全对称的动态物理交互。

十一、碰撞与复制对象

1. Master 与 Replica

可以把权威模拟中的对象视为 Master，把客户端上的网络副本视为 Replica。

Replica 的目标是展示 Master，而不是独立改变 Master 的真实轨迹。如果双方都按完整动力学相互作用，就可能形成反馈环：

1. Replica 预测到错误位置。
2. Replica 与其他对象发生碰撞。
3. 新快照要求 Replica 回到正确位置。
4. 高速修正又产生更大碰撞冲量。

2. 常见处理

• 远端副本使用 Kinematic 模式。
• 表现碰撞与 Gameplay 碰撞分层。
• 只让权威端决定碰撞结果。
• 客户端只做无副作用的查询。
• 对大误差直接传送，不通过物理速度拉回。
• 将网络修正从物理解算中隔离。

十二、更新频率与带宽分配

并非所有对象都应使用同一复制频率。可根据：

• 与玩家距离。
• 屏幕占比。
• 相对速度。
• 是否处于战斗。
• 是否被瞄准。
• 对 Gameplay 的重要性。

调整快照频率和精度。

一个常见思路是：高价值、近距离、高速对象高频同步；远距离、静止或不可见对象低频同步。插值与 Dead Reckoning 用来填补低频更新之间的空隙。

十三、从移动复制到命中判定

移动复制让画面中的敌人看起来平滑，但也制造了一个重要事实：

玩家瞄准的敌人，往往是服务器过去某个时刻的敌人。

延迟来源包括：

• 敌方状态从服务器到本地的传输时间。
• 客户端插值缓冲。
• 本地输入传到服务器的时间。
• 服务器处理和逻辑帧等待。

如果服务器只在“当前世界”检查射击，玩家明明瞄准了画面中的敌人，却可能被判未命中。

十四、命中判定

Hit Registration 的目标是在多个参与者之间形成关于“是否命中”的权威结论。

系统需要回答：

• 射击发生在什么时间。
• 射手当时看到什么。
• 目标在服务器当时或现在在哪里。
• 武器是瞬时射线还是飞行投射物。
• 哪个节点执行碰撞检测。
• 哪个节点有权修改生命值。

命中判定不是单纯的几何问题，而是几何、时间、网络和安全共同决定的问题。

十五、客户端命中检测

1. 流程

客户端在玩家按下射击时，直接使用本地画面中的目标位置做碰撞检测，并向服务器报告命中结果。

2. 优点

• 响应立即。
• 命中结果与玩家画面高度一致。
• 服务器碰撞检测压力较低。
• 容易提供像素级视觉反馈。

3. 风险

客户端不可信。攻击者可以：

• 伪造命中消息。
• 修改弹药数量。
• 篡改射速。
• 关闭后坐力。
• 使用延迟开关。
• 报告超出视野或射程的目标。

因此，客户端可以预测命中特效，但通常不应独自决定永久伤害。

十六、服务器命中检测

1. 权威流程

客户端发送射击命令，服务器在权威世界中进行碰撞检测并决定结果。

优点：

• 客户端不能直接伪造最终伤害。
• 规则和碰撞环境统一。
• 更容易审计和回放。

缺点：

• 服务器承担更多计算。
• 若直接使用收到命令时的当前状态，高延迟玩家会频繁打不中。
• 玩家看到的目标位置与服务器当前目标位置不同。

因此，权威判定还需要时间补偿。

十七、Hitscan 与 Projectile

1. Hitscan

Hitscan 武器在射击瞬间发出射线或形状查询：

$$ \mathbf{r}(u)

\mathbf{o} +u\mathbf{d}, \qquad u \geq 0 $$

其中 $\mathbf{o}$ 是射线起点，$\mathbf{d}$ 是方向。命中结果几乎在同一逻辑时刻产生。

这类武器通常直接使用状态回溯检查目标历史 Hitbox。

2. Projectile

Projectile 是具有飞行时间的实体，可受速度、重力和碰撞影响：

$$ \mathbf{p}(t)

\mathbf{p}_0 +\mathbf{v}_0t +\frac{1}{2} \mathbf{g}t^2 $$

投射物的网络处理更复杂：

• 何时生成。
• 谁负责模拟。
• 如何复制轨迹。
• 是否允许客户端先显示。
• 命中时使用哪一时刻的世界。

3. 不能统一处理

瞬时射线、慢速火箭、抛物线手雷和范围技能具有不同时间语义，应分别设计同步与判定策略。

十八、服务器回溯式延迟补偿

1. 核心思想

服务器保留最近一段时间内的角色碰撞状态。当收到带时间戳的射击命令时：

1. 验证命令和时间戳是否合法。
2. 估计玩家实际射击时看到的服务器时间。
3. 从历史缓冲中恢复目标 Hitbox。
4. 在历史状态中执行射线或碰撞检测。
5. 得出权威命中结果。
6. 恢复当前世界，不让回溯改变持续状态。

2. 回溯时间

课件给出的估计关系是：

$$ T_{\text{rewind}}

T_{\text{server-now}}

T_{\text{packet-latency}}

T_{\text{interpolation-offset}} $$

其中：

• $T_{\text{packet-latency}}$ 是射击命令从客户端到服务器的估计单程延迟。
• $T_{\text{interpolation-offset}}$ 是客户端显示远端对象时主动落后的时间。

这两项都必须被补偿，否则服务器恢复的时间会比玩家实际看到的状态更晚。

3. 历史状态缓冲

服务器可按逻辑帧保存：

• 角色位置与旋转。
• Hitbox 姿态。
• 生死状态。
• 关键遮挡物状态。
• 碰撞层和必要动画骨骼。

不必保存完整世界，只需保存重建命中查询所需的数据。

4. 时间插值

射击时间往往落在两个历史样本之间。服务器可对历史 Hitbox 做插值：

$$ \alpha

\frac{T_{\text{shot}}-T_i} {T_{i+1}-T_i} $$

$$ \mathbf{p}_{\text{hitbox}}

\operatorname{Lerp} (\mathbf{p}i,\mathbf{p}{i+1},\alpha) $$

这样无需为每个可能时刻保存状态。

十九、延迟补偿的安全边界

服务器不能无条件相信客户端声称的时间，否则高延迟或恶意客户端可以要求回溯到很久以前。

应验证：

• 时间戳是否落在允许窗口内。
• 射速是否合理。
• 弹药和冷却是否有效。
• 射击起点是否接近权威角色位置。
• 瞄准方向变化是否可能。
• 目标是否处于可交互范围。
• 客户端 RTT 估计是否异常。

通常会设置最大回溯窗口：

$$ 0 \leq T_{\text{server-now}}-T_{\text{rewind}} \leq T_{\max} $$

超过窗口的请求可被拒绝、截断到最早可用状态或按当前状态判定。

二十、掩体后中弹

回溯保证的是射手当时所见画面的合理性，不保证目标当前画面的直觉。

可能出现：

1. 目标已经躲到墙后。
2. 射手在较旧画面中仍看到目标。
3. 射手开枪，命令随后到达服务器。
4. 服务器回溯到目标尚未进掩体的时刻。
5. 服务器判定命中。

于是目标感觉自己“已经躲好却仍然中弹”。

这是两种玩家体验之间的冲突：

• 不回溯：射手觉得准星对准却打不中。
• 完全回溯：目标觉得进入掩体后仍被击中。

系统只能通过限制补偿窗口、匹配相近延迟玩家和设计武器规则来平衡，无法同时满足所有观察者。

二十一、探头优势

Peeker’s Advantage 指主动从掩体后探出的玩家，可能比防守方更早看到并攻击对手。

原因包括：

• 探头者本地立即看到自己的移动。
• 防守方要等待探头者状态经过服务器和网络抵达。
• 防守方还可能使用插值缓冲。
• 防守方的反应再返回服务器又需要时间。

较高 RTT、较大插值缓冲和较低状态更新率都会扩大这种优势。

缓解方式包括：

• 提高服务器 Tick Rate。
• 优化状态优先级和传输路径。
• 缩短合理范围内的插值延迟。
• 限制极高延迟玩家的补偿。
• 在匹配系统中考虑网络质量。

二十二、本地预测特效与权威结果

为了让射击手感及时，客户端可以在本地先显示：

• 枪口火焰。
• 弹道曳光。
• 击中火花。
• 血花。
• 临时命中标记。
• 后坐力和声音。

但永久结果必须等待服务器确认：

• 扣除目标生命值。
• 击杀。
• 记分。
• 掉落。
• 任务进度。

如果服务器否定预测，客户端应撤销或淡化临时反馈。预测层负责即时感受，权威层负责真实规则。

二十三、移动复制与命中判定的统一视角

两类问题都在处理“本地体验与权威事实之间的时间差”：

问题	本地处理	权威处理
本地角色移动	客户端预测	服务器校正
远端角色显示	插值或短时外推	服务器快照
射击反馈	本地特效或预测 Hit	服务器命中判定
延迟命中	玩家瞄准旧画面	服务器回溯历史状态

共同原则是：

• 表现可以预测。
• 规则必须验证。
• 误差必须可修正。
• 历史必须可追踪。

二十四、常见失败模式

1. 把网络位置直接写进渲染对象

结果：对象跳跃、抖动，丢包时冻结。

改进：建立快照缓冲，在网络状态与渲染状态之间插值。

2. 无限外推

结果：对象沿错误方向持续移动，随后发生巨大拉回。

改进：限制外推时间，误差过大时降级或冻结。

3. 所有误差都缓慢修正

结果：对象可能长时间处于非法位置并影响 Gameplay。

改进：按误差和语义分类，小误差平滑，大误差立即校正。

4. 远端副本参与完整动力学

结果：预测误差通过碰撞反作用于本地权威对象。

改进：区分查询碰撞、表现碰撞和权威物理碰撞。

5. 完全信任客户端命中

结果：伪造命中、无限弹药和射速作弊。

改进：服务器验证并最终裁决。

6. 服务器只检查当前状态

结果：高延迟玩家瞄准画面中的目标却总被判未命中。

改进：保存历史 Hitbox，进行受限制的状态回溯。

7. 无限回溯

结果：高延迟玩家可对很久以前的位置造成伤害，掩体体验严重恶化。

改进：设置最大补偿窗口并验证请求时间。

二十五、调试与可观测性

移动复制应记录：

• 快照序列号与服务器时间。
• 客户端接收时间。
• 插值缓冲长度。
• 当前插值区间。
• 外推持续时间。
• 位置和速度误差。
• 修正方式与修正时长。

命中判定应记录：

• 射击命令序号。
• 客户端时间戳。
• 估计网络延迟。
• 插值偏移。
• 实际回溯时间。
• 回溯前后的 Hitbox。
• 射线起点、方向和命中对象。
• 最终接受或拒绝原因。

没有这些信息，网络问题往往只能表现为“偶尔拉回”或“明明打中了却没伤害”，难以复现。

二十六、设计原则

1. 网络状态、逻辑状态和渲染状态必须分离。
2. 本地角色使用预测，远端角色主要使用插值。
3. 外推只适用于短时间和可预测运动。
4. 新快照到达后按误差大小选择平滑或立即修正。
5. 远端复制对象不应无条件参与完整权威物理。
6. 同步频率应按对象重要性动态分配。
7. 客户端可以预测反馈，但服务器决定永久结果。
8. 命中判定必须明确使用哪个时间点的世界。
9. 延迟补偿需要同时考虑网络延迟和插值偏移。
10. 历史回溯只恢复查询所需状态，不修改当前世界。
11. 回溯窗口必须有限，并验证客户端时间戳。
12. 公平性是多方体验的折中，不存在让所有观察者都满意的绝对方案。

二十七、复习要点

• 网络快照频率低于渲染频率，直接套用快照会导致角色跳跃。
• 插值在两个已知状态之间计算，稳定但引入显示延迟。
• 外推预测未知未来，响应快但误差会随时间增长。
• Dead Reckoning 根据位置、速度和加速度预测，并按误差决定何时更新。
• 速度与位置混合可以减轻新快照到达时的突变。
• 表现修正必须与权威逻辑和物理碰撞隔离。
• 客户端命中检测即时但不可信；服务器命中检测权威但需要补偿延迟。
• Hitscan 是瞬时查询，Projectile 具有飞行时间和轨迹。
• 服务器回溯使用历史 Hitbox，在玩家实际看到的时间点重新做命中检测。
• 回溯时间需要扣除单程网络延迟和客户端插值偏移。
• 延迟补偿会产生掩体后中弹和探头优势等体验冲突。
• 本地特效可以预测，生命值和击杀等永久结果必须由服务器确认。

二十八、参考资料

• GAMES104 第 19 讲（上）：网络游戏的进阶架构（Bilibili）