Parallelität im Betrieb von Online-Computerspielen

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1 Parallelität im Betrieb von Online-Computerspielen Jens Müller Arbeitsgruppe Parallele und Verteilte Systeme Institut für Informatik Westfälische Wilhelms-Universität Münster

2 Übersicht 1. Berechnungen in Online-Spielen 2. State of the art: Parallelität in kommerziellen Massively Multiplayer Games 3. Unsere Forschung: Alternative Parallelisierungskonzepte

3 Typen von Online-Computerspielen 1. First Person Shooter (FPS) Schnelles Aktionspiel, direkte Kontrolle einer Spielfigur Client-Server Architektur => Spielermaximum: um 100 Spieler Serversoftware üblicherweise frei erhältlich => spielerbetriebene Server 2. Real-Time Strategy Games (RTS) Echtzeitstrategie, indirekte Kontrolle vieler Spielfiguren Client-Server oder Peer-to-Peer Architektur: 2-16 Spieler 3. Sportspiele/Autorennspiele Technisch vergleichbar mit FPS- oder RTS-Spielen 4. Massively Multiplayer Online Role-Playing Games (MMORPG) Rollenspiel, Direkte/Indirekte Kontrolle einer Spielfigur (Avatar/Charakter) Riesige, persistente Spielwelt mit tausenden von Spielern Serversoftware üblicherweise nicht frei verfügbar => herstellerbetriebene Server Nutzer zahlen regelmäßig Gebühren (Spielabo)

4 Berechnungen in Echtzeitspielen (1) Game World Game Entities (Avatars, NPCs, items) Alle dynamischen Elemente (Entities) einer Spielwelt müssen regelmäßig aktualisiert werden (Position, Blickrichtung, Aktionen, etc.) Spielclients benötigen diese aktualisierten Informationen aller Entities für flüssige Animationen und Bewegungen Aktualisierungsfrequenz: 5-35 updates/sek

5 Unreal Tournament: Flüssige Zustandsberechnung

6 Berechnungen in Echtzeitspielen (2) Der Zustand S eines Echtzeitspieles wird regelmäßig aktualisiert (Funktion phi), basierend auf dem momentanen Zustand und den Nutzereingaben Für jede Berechnung des neuen Zustandes existiert eine deadline, die von der update-frequenz des Spiels abhängt S i 2 1/tickrate S i 1 time S i S i+1 S i+2 φ Si 2,S i 1 φ Si,S i+1 φ Si 3,S i 2 φ Si 1,S i Eine Verspätung aufgrund von Serverüberlastung muss unbedingt vermieden werden Skalierbarkeit von Echtzeitspielen: Die Fähigkeit, Echtzeitbedingungen einer einzelnen Session bei steigender Spielerzahl zu erhalten

7 Probleme bekannter Architekturen Server Client Client Client Client Client Client Client Client Client Client Client Client Client-Server skaliert nicht (Server ist bottleneck) Peer-to-Peer skaliert nicht, quadratischer Kommunikationsaufwand (schwächster Peer ist bottleneck) => Beide Architekturen implizieren absolute Obergrenze der Spielerzahl in einer Partie

8 Unreal Tournament: Überlastete Zustandsberechnung

9 Übersicht 1. Berechnungen in Online-Spielen 2. State of the art: Parallelität in kommerziellen Massively Multiplayer Games 3. Unsere Forschung: Alternative Parallelisierungskonzepte

10 Skalieren einer Spielsession Für Massively Multiplayer Online Games wird eine skalierbare Serverarchitektur benötigt Zwei Hauptaspekte: 1. Kommunikationsarchitektur (Topologie des Servernetzes) 2. Logische Verteilung der Spielwelt

11 1.: Kommunikationsarchitektur Game Server world data [..] Gateway Clients [...] State of the art: Gameserver-Cluster in Rechenzentren Benutzerclients werden dynamisch anderen Servern zugeteilt

12 2.: Logische Verteilung: Zoning Geeignet für große Spielwelten, aufgeteilt in mehrere Zonen Jede Zone wird von einzelnem Server verwaltet Serverwechsel bei Wechsel der Zone Game World Sehr gut geeignet für MMORPG Riesige, gut unterteilbare Spielwelt Spieldesign fördert gleichmäßige Verteilung der Spieler Zoning funktioniert sehr gut zusammen mit der Cluster-Architektur Bei gleichmäßiger Spielerverteilung: Beliebige Skalierbarkeit => tausende von Spielern in einer Welt

13 Beispiel: Ragnarok Online (1/2)

14 Beispiel: Ragnarok Online (2/2)

15 Problem: Ungleichmäßige Spielerverteilung Maximale Spielerzahl in einzelner Zone Überlastung durch viele Spieler in einem Gebiet

16 Beispiel: World of Warcraft (1/2)

17 Beispiel: World of Warcraft (2/2)

18 Zoning auch für andere Spielgenres? Andere Genres (Action-/Strategiespiele) sind bisher nicht massiv mehrspielerfähig wie MMORPG MMORPG-Architektur nicht geeignet: In Actionspielen verteilen Spieler sich ungleichmäßig, eben dort, wo die Action ist => Überlastung einzelner Zonen Spielwelt viel kleiner, schlecht zu unterteilen Hohe Betriebskosten Aktuelle Forschung an alternativen Architekturen

19 Übersicht 1. Berechnungen in Online-Spielen 2. State of the art: Parallelität in kommerziellen Massively Multiplayer Games 3. Unsere Forschung: Alternative Parallelisierungskonzepte

20 Unsere Logische Verteilung: Replikation Spielwelt ist vollständig auf allen Servern repliziert Ein Server kann jeden Client positionsunabhängig bedienen Jeder Server ist verantwortlich für einige active entities, welche shadow entities für andere Server sind (Konsistenzmodell: Eventual Consistency) Game World shadow entity active entity Unsere eigene Entwicklung, geeignet für FPS and RTS Spiele

21 Serverarchitekturen für Replikation Unsere Architektur: Verteilte Proxyserver clients [...] [...] proxy server ISP 1 [...] [...] ISP 2 ISP 3 Kombiniert Client-Server und Peer-to-Peer Clients können zu Proxy mit guter Kommunikationsqualität verbinden Weitere wichtige Aspekte: Optimale Clientverteilung, Fairness als Ausführung von Spieleraktionen in richtiger Reihenfolge, Optimierungen

22 Proxyserver: Evaluation Zwei Spiele entwickelt/portiert für die proxybasierte Replikation Rokkatan: Selbstentwickeltes MMORTS Quake 2: Portierte QBism-Engine (Verbesserte Q2-Engine) Rokkatan: Ermöglicht bis zu 500 Spielern in einer einzelnen Spielsession (mit 10 Servern) mit 25 updates pro Sekunde Quake 2: Wird momentan evaluiert, verdoppelte maximale Spielerzahl mit 3 Servern

23 Zusammenfassung Herkömmliche Client-Server- und Peer-to-Peer- Architekturen nicht geeignet für Massiv- Mehrspielerfähigkeit State of the art für MMORPG: Zoning der riesigen Spielwelt Nicht geeignet für Action- und Strategiespiele Unsere Arbeit: Replikation der Spielwelt Implementiert als Proxyserver-Architektur Gut geeignet für Action- und Strategiespiele