Entwurf und Implementierung einer prototypischen Anwendung zur Simulation von Bewegungsabläufen in virtuellen Umgebungen

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1 F Entwurf und Implementierung einer prototypischen Anwendung zur Simulation von Bewegungsabläufen in virtuellen Umgebungen Design and Implementation of a Prototypical Application for Movement Simulation in Virtual Environments Andreas Baumann Bachelor-Abschlussarbeit Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. Andreas Lux Dipl.-Inform. (FH) Hermann Schloss, M.Sc. Christian Bettinger, B.Sc. Trier, 18. Februar 2009

2 Kurzfassung - Abstract Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf und die Implementierung einer Mehrspieler-Applikation, die zur Netzwerk-Kommunikation das zugrundeliegende Peer-to-Peer-Netzwerk P-Grid verwendet. Sowohl die Implementierung der Bewegung in einer virtuellen Welt, die Aufteilung selbiger auf mehrere Server, als auch die grafische Darstellung und ein Simulationsmodus mit autonom handelnden Agenten war Teil der Aufgabenstellung. Zur Lösung wurde das von Microsoft entwickelte XNA-Framework in der Version 3.0 herangezogen, welches verschiedenste Spiele-Entwicklungs-Schnittstellen und -Bibliotheken für C# bereitstellt. Die grafische Darstellung erfolgt in zweidimensionaler Vogelperspektive auf einen Teil der Spielwelt. Die Implementierung der autonomen Bewegung wird durch einen endlichen Automaten mit mehreren Zuständen umgesetzt. This thesis deals with the design and implementation of a multiplayer application, which uses the underlying Peer-to-Peer network P-Grid for network communication. The simulation of movement updates, partitioning of the virtual world, as well as the graphical representation and a simulation mode employing autonomously moving agents was part of the problem definition. In the course of this work the XNA framework 3.0 developed by Microsoft, which provides several game development interfaces and libraries for C#, was used in order to solve the above mentioned tasks. The graphical representation follows a two-dimensional bird s eye perspective on a part of the world. The implementation of autonomic movement is realized through a finite state machine with several states.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Motivation und Problemstellung Nötige Vorkenntnisse XNA-Framework Funktionsweise des XNA-Frameworks HERA-Framework P-Grid Area of Interest Benutzung Menü Hauptmenü Optionsmenü Mehrspielermenü Server Erstellung Spielteilnahme als Client Entwurf Architektur und Schnittstellen des HERA-Frameworks Nachrichtensystem Application Layer PublicServer Client Simulationsmodus Implementierung GameApplication PublicServer Client Heratronos Participant Events Simulationsmodus

4 Inhaltsverzeichnis IV 6 Konfiguration Einstellung der Verbindungsdaten Server Client Zusammenfassung und Ausblick Literatur Index Inhalt der CD Design Concept

5 Abbildungsverzeichnis 2.1 Vier Schichten des XNA Frameworks Die Funktionsweise der Hauptschleife Lesbare Dateiformate der Content Pipeline Bearbeitungsvorgang beim Einlesen von Medieninhalten Heratronos Hauptmenü Abfrage bei Verlassen des Spiels Optionsmenü zum Einstellen von Farboptionen Mehrspielermenü Menü zur Erstellung eines Servers und Initialisierung des PGrid-Tries Beitritt als Spieler Benutzung eines Powerups Benutzung eines Ausgangs Schichten des HERA-Frameworks Nachrichtenaustausch zwischen zwei Instanzen Klassendiagramm: Application Layer Klassendiagramm: PublicServer Sequenzdiagramm Start AoI-Management am Beispiel einer Welt mit vier Räumen I AoI-Management am Beispiel einer Welt mit vier Räumen II Klassendiagramm: PublicServer, ServerWorldGrid und Partition Klassendiagramm: Client, MultiplayerGameplayScreen, GameObjectCollection, Player Klassendiagramm: Participant, Player und Enemy Übergang AoI-Grenze zwischen zwei Räumen Übergang AoI-Grenze verläuft durch einen Raum Klassendiagramm: Der endliche Automat für den Simulationsmodus Zustandsdiagramm: Zustände des endlichen Automaten Einstellungsdatei settings.xml für PublicServer A.1 Installation des XNA-Frameworks

6 Tabellenverzeichnis 3.1 Mögliche Tastatureingaben im Spielgeschehen Entscheidungstabelle für Weltentstehung Zuständigkeiten der Welt bei vier Räumen Empfangbare Nachrichten eines PublicServers Objekterstellung am Beispiel von vier Räumen

7 1 Motivation und Problemstellung Bereits Anfang der 80er Jahre entstanden die ersten Computer-Rollenspiele, die über ein Netzwerk mit mehreren Teilnehmern spielbar waren. Das Erste seiner Art war das Spiel Multi-User-Dungeon, welches von Roy Trubshaw und Richard Bartle an der Universität von Essex entwickelt wurde [Cuc01]. Obwohl dieses und ähnliche Spiele anfangs nur in geschlossenen Netzwerken mit wenigen Spielern gespielt wurden, entwickelten sie eine gewisse Eigendynamik. So kam es, dass zu Beginn der 90er Jahre aus der inzwischen geläufigen Spiele-Klassifikation MUD, welche eine Abkürzung eben jenes Multi-User-Dungeon darstellt, eine weitere Idee geboren wird: die grafischen Mehrspieler-Rollenspiele [Ken03]. Während Meridian 59 1, das erste grafische Online-Mehrspieler-Rollenspiel, gerade mal bis zu 250 Spieler pro Server 2 aufbieten konnte, wurde diese Grenze in den Folgejahren immer weiter nach oben ausgebaut. Der heutige Genre-Primus World of Warcraft 3 verfügt nach aktuellen Zahlen vom Dezember 2008 weltweit bereits über mehr als 11,5 Millionen Abonnenten 4. Der Trend zeigt weiterhin deutlich ansteigende Tendenz, da immer mehr Spiele-Entwickler am Erfolg der sogenannten Massively Multiplayer Online Games (MMOG) teilhaben wollen und gleichzeitig auch die Zahl der Internet- und Mehrspieler-Nutzer stetig wächst. Die daraus wiederum resultierende Medienwirksamkeit verleitet mehr und mehr Interessierte dazu, sich ebenfalls mit einem Avatar an einer virtuellen Welt zu beteiligen. Dies allerdings führt unweigerlich zu einem großen Problem: Die Spiel-Server, welche für die virtuellen Umgebungen vom Entwickler zur Verfügung gestellt werden müssen, stoßen Leistungs- und Verwaltungstechnisch immer öfter an ihre Grenzen. Diese werden durch umfangreichere, offene Spielwelten ohne große Ladezeiten und dem zusätzlich dazu steigenden Spielinhalt und Nachrichtenverkehr immer schneller erreicht. Nicht selten führt das Erreichen dieser Grenzen dazu, dass gewisse Server überfüllt sind und keine weiteren Spieler dort teilnehmen können und somit eine lange Wartezeit in Kauf nehmen oder auf andere Server ausweichen müssen World of Warcraft von Blizzard Entertainment 4

8 1 Motivation und Problemstellung 2 Aufgrund dessen sind andere Überlegungen notwendig, wie einem solchen Problem der Skalierbarkeit entgegengetreten werden kann. An der Universität Trier und der Fachhochschule Trier wurde folglich der HERA-Prototyp (HyperVerse Experimental Research Applications) entwickelt, welcher, anstatt der üblichen zentralisierten Client-Server Infrastruktur, eine dezentralisierte Peer-to-Peer-Technik bevorzugt und verwendet. Im Vordergrund dieser Arbeit steht der Entwurf und die Implementierung einer Anwendung, welche den erwähnten Ansatz aufgreift und das gewählte Prinzip zu Demonstrations- und Untersuchungszwecken umsetzt. Dabei soll eine prototypische Anwendung entwickelt werden, die darauf ausgerichtet ist, Vor- und Nachteile der Dezentralisierung aufzuzeigen. Dies schließt vor allem den konkurrierenden Bewegungsablauf unterschiedlicher Avatare in der Spielwelt als auch der konkurrierende Zugriff auf gemeinsam genutzte Daten mit den damit verbundenen, möglichen Inkonsistenzen mit ein und stellt den wesentlichen Kern der Aufgabenstellung dar. Die Anwendung soll sich in das HERA-Projekt eingliedern und die zur Verfügung gestellten Schnittstellen und Nachrichtensysteme der unterliegenden Schichten verwenden. Ebenso soll ein Simulationsmodus implementiert werden, der es den Avataren ermöglicht, sich selbstständig und ohne menschliche Einflussnahme in der Spielwelt zu bewegen. Die Spielwelt soll auf bis zu drei Server aufteilbar sein und ein Verfahren für den reibungslosen Übergang von einem auf den anderen Server muss entwickelt werden.

9 2 Nötige Vorkenntnisse 2.1 XNA-Framework 3.0 Das XNA 1 -Framework 3.0 ist eine, von Microsoft bereitgestellte, Sammlung von Spiele-Entwicklung-Schnittstellen zur Entwicklung von Computer- und Videospielen für die Windows- und XBOX360-Plattform. Das Framework wurde geschaffen, um sowohl einen schnelleren Entwicklungsprozess zu ermöglichen als auch für Einsteiger eine vereinfachte und kostengünstige Möglichkeit zur Entwicklung von Spielen zu bieten, die sogar auf eine Spielkonsole portiert werden können. Im Gegensatz zum DirectX-Framework zielt XNA darauf ab, neben den eigentlichen Schnittstellen auch Werkzeuge bereitzustellen, die den Entwicklungsvorgang unterstützen und beschleunigen. Die erste finale Version XNA Game Studio Express 1.0 kam mit einer eigenen Entwicklungsumgebung (IDE) daher, welche auf der Visual C# 2005 Express Umgebung aufbaut. Ab Version 2.0 ist auch die Benutzung von Visual Studio 2005 möglich, die in dieser Arbeit eingesetzte Version 3.0 setzt Visual Studio 2008 oder Visual C# 2008 Express voraus Funktionsweise des XNA-Frameworks Die einfachste Möglichkeit, den Aufbau von XNA zu verstehen, ist das Framework in mehreren Schichten ([Kon07]) zu betrachten (Abb. 2.1). Platform Die unterste Schicht bezeichnet man als Platform und beinhaltet die niedrigstufigen nativen APIs 2. Zu diesen APIs gehören unter anderem Direct3D: XNA verwendet zur Ausgabe von zweidimensionalen und dreidimensionalen Grafiken die Direct3D-Schnittstelle XACT: Als XACT wird die plattformübergreifende Schnittstelle zur Audio-Wiedergabe bezeichnet. 1 XNA steht für XNA s Not Acronymed. Bei Benutzung des Begriffs XNA ist in Zukunft immer das XNA-Framework gemeint wenn nicht anders vermerkt 2 Application Programming Interfaces

10 2.1 XNA-Framework Abbildung 2.1. Vier Schichten des XNA Frameworks XInput: XInput ist verantwortlich für die Kommunikation mit den verschiedensten Eingabegeräten. Darunter fallen Maus, Tastatur und auch Gamepads. XContent: Ein Teil der Content Pipeline (siehe 2.1.1). Core Framework Die Schicht des Core Frameworks ist, wie der englische Begriff vermuten lässt, der Kern von XNA. Dabei stellt XNA viele Hilfsmittel zur Verfügung, um Grafik- und Audiodaten zu verwalten und auszugeben und um Eingabegeräte anzusprechen. So zählt unter anderem die Bibliothek für mathematische Berechnungen wie Matrixmultiplikationen zu den immensen Erleichterungen in der Grafikberechnung. Extended Framework Als vorletzte Schicht ist das Extended Framework nicht weniger erwähnenswert, denn es ist neben dem Core Framework der Punkt, welcher die Spiele-Entwicklung deutlich vereinfacht. Die Schicht besteht hierbei aus zwei wesentlichen Komponenten: Application Model Mit Hilfe des Application Model soll sichergestellt werden, dass die Entwickler sich keine Gedanken über die Plattform machen müssen, auf der das Spiel lauffähig sein

11 2.1 XNA-Framework soll, sondern sich auf die Entwicklung des Spiels als solches fokussieren können. Es besteht beispielsweise keine Notwendigkeit zur expliziten Implementierung eines Applikationsfensters oder einer logischen Uhr, die den Ablauf koordiniert. All diese Funktionen werden bereits durch XNA bereitgestellt und können direkt verwendet werden. Das Application Model generiert die Hauptschleife (engl.: Main Loop oder auch Game Loop, siehe Abb. 2.2), welche den Ablauf der Anwendung bestimmt, übernimmt die Darstellung eines Fensters unter Windows und initialisiert alle notwendigen Daten. Abbildung 2.2. Die Funktionsweise der Hauptschleife Die Hauptschleife setzt sich aus folgenden Methoden zusammen: Initialize(): Dient zur Initialisierung von Diensten und Daten, die nicht grafisch sind. Der Aufruf erfolgt, nachdem das Spiel gestartet, aber bevor LoadContent aufgerufen wurde. LoadContent(): In der LoadContent-Methode findet die Initialisierung aller möglichen grafischen Daten statt. Die Methode wird von der vorher ausgeführten Initialize-Methode aufgerufen. Ein erneuter Aufruf findet immer dann statt, wenn die grafischen Daten erneut geladen werden müssen (zum Beispiel nach einem Zurücksetzen des Grafik-Gerätes).

12 2.1 XNA-Framework Update(GameTime gametime): Wird aufgerufen, sobald das Spiel feststellt, dass Spielberechnungen durchgeführt werden müssen. Jegliche logische Operationen, die für die Klasse oder das Spiel relevant sind, werden hier berechnet. Dies beinhaltet sowohl die Verwaltung der Spiel-Zustände als auch die Bearbeitung der Nutzereingaben und die Erneuerung von spielrelevanten Daten. Der Parameter gametime gibt Aufschluss über die Zeitspanne, die seit dem letzten Aufruf der Update-Methode vergangen ist. Draw(GameTime gametime): Wird aufgerufen, sobald das Spiel feststellt, dass die grafische Ausgabe neu gezeichnet werden muss. Das Ergebnis dieser Prozedur wird als Frame bezeichnet. Der Parameter gametime gibt Aufschluss über die Zeitspanne, die seit dem letzten Aufruf der Draw-Methode vergangen ist. UnloadContent(): Das Gegenstück zur LoadContent-Methode. Wird aufgerufen, sobald die grafischen Ressourcen entladen werden müssen. XNA verwendet die Technik der halbentkoppelten Engine-Komponenten. Dies bedeutet, die Logikberechnungen (KI 3, Benutzereingaben) in der Methode Update sind von der Grafikdarstellung der Methode Draw entkoppelt. Damit wird erreicht, dass Draw so oft wie möglich aufgerufen wird. Content Pipeline Bei der üblichen Spiele-Entwicklung ist es häufig nicht ganz einfach, Inhalt in ein Spiel zu integrieren. Oftmals fehlen nötige Import-Werkzeuge und müssen mühsam gesucht oder selbst implementiert werden. Zugleich ist es auch notwendig, dass die zu importierenden Daten noch aufbereitet werden müssen. Dies erfolgt bei größeren Unternehmen in der Regel von eigenen Arbeitsgruppen, die sich nur auf diese Aufgabe spezialisiert haben. Da XNA darauf abzielt, möglichst viele Dinge der Entwicklung zu vereinfachen, stellt die Content Pipeline einen großen Teil dieser Bemühung dar. Sie ermöglicht eine relativ einfache Integration der Daten in das Spiel, wenn diese in den Dateiformaten aus Abbildung 2.3 vorliegen. Sowohl Texturen, Grafikmodelle, Effektmaterialien oder Audiodateien können durch die Benutzung der Content Pipeline geladen und aufbereitet werden, sodass die Konsole diese versteht. Dies geschieht während des Kompiliervorgangs der Anwendung wie folgt: Nachdem der Importer die Dateien eingelesen hat, befinden sich die Daten im Content DOM 4. Der zuständige Prozessor übernimmt wiederum die Daten vom DOM und erstellt entsprechende Datenobjekte, welche daraufhin zur Laufzeit ohne erneute Aufbereitung benutzt werden können (Abb. 2.4). Dies hat zur Folge, dass der Entwickler sich nicht mehr um alle Eventualitäten beim Einbringen von Inhalt in das Spiel kümmern muss. Um den Inhalt später im Spiel benutzen zu können wird der 3 Bei Benutzung der Abkürzung KI ist in Zukunft immer der Begriff künstliche Intelligenz gemeint 4 Der Begriff DOM bedeutet Document Object Model und stammt aus dem HTML/XML Bereich

13 2.2 HERA-Framework 7 Abbildung 2.3. Lesbare Dateiformate der Content Pipeline Content Manager benötigt. Diese Komponente wurde entwickelt, um die Medieninhalte einfach und problemlos zu laden und stellt sicher, dass alle assoziierten Inhalte zur gleichen Zeit geladen werden. [Tea06] Abbildung 2.4. Bearbeitungsvorgang beim Einlesen von Medieninhalten Games Die oberste und zugleich letzte Schicht dient schlussendlich dem Zweck, vom Entwickler mit Inhalt gefüllt zu werden. Die Anwendung dieser Arbeit ist somit Teil dieser Schicht und nutzt zur Umsetzung hauptsächlich die unterliegenden Schichten Core Framework (siehe 2.1.1) und Extended Framework (siehe 2.1.1). 2.2 HERA-Framework Das HERA-Framework wurde entworfen, um zu untersuchen, welche Chancen und Möglichkeiten eine dezentralisierte Infrastruktur für Mehrspieler-Spiele bereitstellt und welche Probleme diese aufwerfen kann. Bei diesen Untersuchungen steht viel mehr die Evaluierung diverser Algorithmen im Vordergrund, als eine aufwändige grafische Repräsentation. Da der Aufbau des Frameworks modular und generisch gestaltet ist, können die eingesetzten Verfahren unkompliziert durch andere ersetzt werden, ohne das gesamte System anpassen zu müssen. Das in der hier vorliegenden Version des Frameworks eingesetzte Verfahren zur Datenverwaltung ist P-Grid.

14 2.2 HERA-Framework P-Grid Der HERA-Prototyp verwendet zur Verwaltung anwendungsrelevanter Daten das Overlay-Netz P-Grid [Abe01], welches wie andere ähnliche Netze (Gnutella [JAB01], Tapestry [ZHS + 04], uvm.) Datenstrukturen und Algorithmen für ein dezentralisiertes Netzwerk definiert. P-Grid basiert auf einem Präfixbaum-Konzept. Dies besagt, dass die Position eines Knotens innerhalb des Baumes durch seinem binären Pfad eindeutig bestimmt ist und ebenso seine Zuständigkeit für Objekte und einen Bereich der Welt durch besagtem Pfad vorgegeben wird. Ein Knoten der noch nicht Teil eines strukturierten P-Grids ist, verfügt über einen leeren Pfad {}. Treffen zwei solche Knoten aufeinander, unterteilen sie den gemeinsamen Suchraum, bei dem ein Knoten den Pfad {0} und der andere den Pfad {1} erhält. Jeder der beiden Knoten ist nun für einen Teil des Suchraums verantwortlich. Trifft nun ein weiterer Knoten mit leerem Pfad auf einen der bereits in einem strukturierten P-Grid vorhandenen Knoten, so wird eine weitere Unterteilung des Suchraums durchgeführt. P-Grid ist ebenso für die Verwaltung von Objekten der Anwendung zuständig. Ein Objekt verfügt über eine beliebige Objektkennung, die auf einen binären String abgebildet werden kann und an einem der Knoten des PGrid-Tries veröffentlicht wird. Der binäre String, welcher zur Bestimmung des zur Veröffentlichung zuständigen Knotens anhand des längsten gemeinsamen Präfixes verwendet wird, ist nicht eindeutig, d.h. die Abbildung mehrerer Objektkennungen können den gleichen binären String ergeben. Somit ist es möglich, dass verschiedene Objekte am gleichen Knoten angemeldet werden. Dieser Knoten verfügt fortan über die notwendigen Referenzen auf das Objekt. Ändert sich die Anordnung des Baumes, kann es möglich sein, dass sich die Zuständigkeit von Knoten für bestimmte Objekte ebenso verändert Area of Interest Die Welt, in der ein Mehrspieler-Spiel ausgetragen wird, ist oftmals relativ umfangreich und enthält sowohl viele Objekte als auch viele andere Daten wie Positionen von Avataren, welche sich in der Welt befinden. Durch diesen Umstand ist es vergleichsweise schwierig, die gesamte Verwaltung einem einzigen Server aufzutragen. Eine Aufteilung der Welt in verschiedene Area of Interests (AoI) hingegen macht es möglich, dass die Welt in kleinere Partitionen geteilt wird, bei der ein Server für die jeweilige Verwaltung zuständig ist. Alle AoIs zusammengefasst bilden somit wieder eine komplette Welt. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass die Teilbereiche in der Größe variabel sind und bei Bedarf die Welt auf beliebig viele Server unterteilt werden kann. Umso mehr Server die Welt unter sich aufteilen, desto geringer fällt die Größe der einzelnen AoIs aus und desto weniger Verwaltungsaufwand muss ein Server betreiben. Auch die in dieser Arbeit entworfene Anwendung implementiert das Verfahren der AoIs, indem die Welt in mehrere kleinere Partitionen geteilt und auf verschiedene Server verlagert wird. Die Zuteilung eines Abschnittes der Welt zu einem Server erfolgt über die in beschriebene P-Grid-Architektur.

15 3 Benutzung 3.1 Menü Das Spiel setzt sich aus verschiedensten Bildschirmseiten zusammen. Außerhalb vom Spielgeschehen befindet sich der Benutzer in einer Menüstruktur, welche in den folgenden Abschnitten beschrieben wird Hauptmenü Nach Anwendungsstart befindet sich der Benutzer zu allererst im Hauptmenü des Spiels (Abb. 3.1). Abbildung 3.1. Heratronos Hauptmenü

16 3.1 Menü 10 Der Hintergrund besteht hier, wie auch in allen Folgemenüs, aus in einem 3D- Modellierungsprogramm vorgerendertem Bildausschnitt. Der Benutzer kann mit den Pfeiltasten oben und unten auf der Tastatur die einzelnen Menüpunkte markieren und mit der Eingabetaste selbige selektieren. Wird ein Menüpunkt mit der Eingabetaste ausgewählt, erfolgt eine Überführung des Menüs in einen Folgezustand. Einzig der Menüpunkt Exit leitet nicht in ein anderes Menü weiter, sondern öffnet eine Abfrage (Abb. 3.2), ob das Spiel auch wirklich verlassen werden soll. Diese Abfrage ist ebenso durch betätigen der Escape-Taste im Hauptmenü aufrufbar und kann auf gleichem Wege auch wieder geschlossen werden. Abbildung 3.2. Abfrage bei Verlassen des Spiels Optionsmenü Das Spiel bietet dem Anwender im Optionsmenü eine Einstellungsmöglichkeit für die grafische Darstellung. Dem Spieler steht es frei, die Farbgebung seines Avatars in der Spielumgebung selbst zu wählen. Die Farbe bestimmt sich aus dem RGB- Farbraum 1 und kann durch drei verschiedene Farbregler eingestellt werden (Abb. 3.3). Über den Menüpunkt Back oder das Betätigen der Escape-Taste wird der Bildschirm wieder in das Hauptmenü überführt. Abbildung 3.3. Optionsmenü zum Einstellen von Farboptionen Mehrspielermenü Der für die Anwendung wichtigste Teil befindet sich im Mehrspielermenü (Abb. 3.4), in dem die Entscheidung getroffen wird, ob ein Server erstellt oder als Avatar 1 RGB wird bei Farbbildschirmen eingesetzt und bedeutet Rot-Grün-Blau

17 3.1 Menü 11 einem solchen beigetreten werden soll. Die Auswahl des Menüpunktes Join as Client bewirkt eine Verbindung zu dem in Kapitel 6.1 angegebenen Server und resultiert in einem Beitritt zu dem aktuell laufenden Spiel auf selbigem (siehe Kapitel 3.2). Abbildung 3.4. Mehrspielermenü Server Erstellung Im Menü für die Server-Erstellung (Abb. 3.5) muss vor dem eigentliches Starten des Servers die Einstellung erfolgen, wie groß die Spielwelt ausfallen soll. Dazu existiert der Menüpunkt RoomCount, über den man die Anzahl an Räumen festlegen kann, aus denen die Welt gebildet wird. Mit den Pfeiltasten rechts und links auf der Tastatur kann die Anzahl erhöht oder verringert werden. Der Standardwert liegt beim ersten Start der Applikation bei vier Räumen. Sollte eine Veränderung vorgenommen werden, wird diese für spätere Benutzungen abgespeichert. Die Mindestanzahl an Räumen ist der Wert 1, ein Maximalwert ist nicht vorhanden. Aus Gründen des Aufwands wurden nur die Anzahl an Räumen von 1 <= X <= 16 getestet. Verbindet sich der Server zu einem Weiteren, um eine bestehende Spielwelt aufzuteilen, ist die Angabe der Raumanzahl zu vernachlässigen, da diese durch den bestehenden Server und dessen bereits existierende Spielwelt vorgegeben wird und eine erneute Angabe in diesem Fall keine Verwendung findet. Über den Menüpunkt Start wird der Server gestartet und dieser verbindet Abbildung 3.5. Menü zur Erstellung eines Servers und Initialisierung des PGrid- Tries sich, je nach Einstellung, zu einem bereits vorhandenen Server oder generiert die

18 3.2 Spielteilnahme als Client 12 Spielwelt. Ein Fortschrittsbalken der zugrunde liegenden PGrid-Topologie zeigt den aktuellen Status der Server-Erstellung an. 3.2 Spielteilnahme als Client Nachdem der Menüeintrag Join as Client im Mehrspielermenü (siehe Kapitel 3.1.3) ausgewählt wurde, verbindet sich die Anwendung mit dem in der Konfigurationsdatei angegebenen Server und überführt den Bildschirm in das Spielgeschehen (Abb. 3.6). Abbildung 3.6. Beitritt als Spieler Der Avatar in der Spielwelt kann anschließend durch Eingaben über die Tastatur in der Umgebung bewegt werden (Tabelle 3.1). Nach Aktivierung des Simulationsmodus durch Betätigung der F8-Taste wird der Avatar durch eine künstliche Intelligenz gesteuert. Benutzereingaben haben, bis auf das Starten/Stoppen der Fahrzeugbewegung, keine Auswirkungen mehr auf sein Verhalten. Während dieser Zeit bewegt sich der Avatar völlig autonom durch die Spielwelt. Der Modus kann durch erneutes betätigen der F8-Taste wieder deaktiviert werden. In jedem Raum wird an zufälliger Position ein Powerup-Objekt platziert, welches durch den Benutzer eingesammelt werden kann, indem er mit seinem Avatar über dieses fährt. Daraufhin erscheint in der linken oberen Ecke des Bildschirms, im grau umrandeten Feld, ein Fragezeichen. Dies ist ein Indikator dafür, dass man

19 3.2 Spielteilnahme als Client 13 Tastatureingabe Auswirkung F12 Starten/Stoppen der Fahrzeugbewegung F8 Ein-/Ausschalten der künstlichen Intelligenz (Simulationsmodus) Pfeiltaste links Fahrzeugrichtung um 90 nach links ändern Pfeiltaste rechts Fahrzeugrichtung um 90 nach rechts ändern Eingabetaste Powerup benutzen (falls eingesammelt) Tabelle 3.1. Mögliche Tastatureingaben im Spielgeschehen sich im Besitz eines Powerups befindet und dieses auch nutzbar ist. Durch betätigen der Eingabetaste wird dieses aktiviert und das Fragezeichen weicht einer Zeitangabe, wie lange das Powerup noch aktiviert bleibt; ebenso wird dem Spieler über eine Nachricht mitgeteilt, welchen Typs das Powerup ist (Abb. 3.7). Abbildung 3.7. Benutzung eines Powerups Ferner besteht die Möglichkeit, den Raum durch die Ausgänge, welche sich in allen vier Himmelsrichtungen befinden, zu verlassen. Je nachdem, welcher Raum dem jetzigen in der erwählten Richtung angeschlossen ist, findet ein Übergang dorthin statt. Der Spieler hat bis zu dem Zeitpunkt des Übergangs keinerlei Wissen über die Beschaffenheit des Raums (Abb. 3.8). Abbildung 3.8. Benutzung eines Ausgangs

20 4 Entwurf Entsprechend der Aufgabenstellung soll die entwickelte Anwendung auf vorhandene Schnittstellen des HERA-Prototyps aufbauen und in das Projekt integriert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die oberste Schicht durch die Anwendung gebildet und in eine Hierarchie, bestehend aus Client und PublicServer, unterworfen sein wird. Bis zu drei Server sollen die Welt in unterschiedliche AoIs (Kapitel 2.2.2) einteilen können und den Klienten Umgebungsinformationen zur Verfügung stellen. Die dazu benötigten Zuständigkeitsbereiche werden von P-Grid bestimmt. Ein Client repräsentiert einen Avatar in der virtuellen Welt und bestimmt seine Zugehörigkeit zu einem Server über seine Position in jener Welt. Dabei ist es wichtig, einen Weg zu finden, der einen Übergang zwischen den verschiedenen Servern ermöglicht. Aufgrund des Peer-to-Peer Ansatzes ist es zur Untersuchung von Inkonsistenzen erforderlich, eine Anwendung zu implementieren, welche die zwei wesentlich Faktoren des konkurrierenden Bewegungsablaufs und des konkurrierenden Zugriffs auf gemeinsame Objekte berücksichtigt und ermöglicht. 4.1 Architektur und Schnittstellen des HERA-Frameworks Der HERA-Prototyp unterteilt sich in insgesamt drei Schichten (Abb. 4.1). Beginnend auf der untersten Schicht, befindet sich dort das Communication Layer, welches für die Kommunikation verschiedener Knoten untereinander und der dazugehörigen Datenübermittlung über das TCP-Protokoll verantwortlich ist. Darüber ist das Topology Layer angesiedelt. Die Implementierung der dezentralisierten Peer-to-Peer Infrastruktur zur Verwaltung von spezifischen Daten ist für diese Schicht vorgesehen. In der aktuellen Implementierung beruht das Verfahren auf dem Overlay-Netz P-Grid. Als letzte Schicht wird das Application Layer betrachtet, welches für Anwendungen auf Basis der anderen Module gedacht ist. Hierauf wird in Kapitel 4.2 näher eingegangen. Da Peer-to-Peer-Anwendungen in gewissen Situationen mit inkonsistenten Zuständen konfrontiert werden, ist ebenso eine Implementierung zur Berechnung von Konsistenzwerten auf Basis einer Fuzzy-Engine Teil des Frameworks. Der Consistency Provider wird in der Anwendung der Application Layer-Schicht verwendet.

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