Proseminar Computer Grafik und Visualisierung WS 07/08 Multiplayer & MMO Games

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1 Proseminar Computer Grafik und Visualisierung WS 07/08 Multiplayer & MMO Games Edwin Foris Inhaltsverzeichnis 1. Was ist ein MMO? Anforderungen Netzwerkarchitektur Datenkommunikation Interest Management Publisher/Subscriber Aura Nimbus Modell World Space Partitioning Quadrate/Hexagone Triangulation Dead Reckoning Prediction technique Convergence technique 7 1

2 1. Was ist ein MMO? Als Massive Multiplayer Online Games werden Spiele bezeichnet, welche von mehreren tausend Spielern gleichzeitig gespielt werden können und auf einer persistenten, für alle Spieler gleichen Spielwelt stattfinden. Um eine so große Anzahl an Spielern bewerkstelligen zu können, muss ein MMOG verschiedene Anforderungen erfüllen. 2. Anforderungen 2.1 Netzwerkarchitekturr Bei vielen Spielen wird eine Client Server Architektur verwendet, wobei jeder Client einee Verbindung zum Server herstelltt und der Server die relevanten Informationen an den Client weiterleitet. Server bzw. Servercluster werden meist vom Spielehersteller bereitgestellt. Da jeder Client mit dem Server kommunizieren muss und die Spielmechanik auf dem Abbildung 1: Client Server Server läuft, ist eine zentrale Kontrolle durch den Provider gewährleistet. Der Datenaustausch und die Gewährleistung der Sicherheit können ebenfalls einfacher implementiert werden. Durch die Abhängigkeit eines oder einiger weniger Server entsteht jedoch zum einen ein architektonischer Engpass, da bei einem Ausfall die Onlinewelt zusammenbrechenn kann und zum anderen eine Limitierung der Spielwelt auf eine bestimmte Anzahl von Spielern. Unter Verwendung eines Peer to Peer Netzwerkes entstehen diesee Problemee nicht, da es keinee zentrale Kontrolle und einen direkten Datenaustausch zwischen den Clients gibt. Der Datenaustausch und die Sicherheit sind jedoch nur schwer realisierbar. Abbildung 2: Peer to Peer 2

3 2.2 Datenkommunikation Es existieren drei Arten der Datenkommunikation zwischen Computern: Unicast, Multicast und Broadcast. Bei Unicast werden Nachrichten an genau einen Empfänger übermittelt, während bei Broadcast die Nachrichten an alle Empfänger gesendet werden, unabhängig davon ob sie benötigt werden oder nicht. Bei Multicast werden die Nachrichten nur an Empfänger gesendet, die in einer bestimmten Multicastgruppe registriert sind. Abbildung 3: Unicast Abbildung 4: Broadcast Abbildung 5: Multicast 3. Interest Management Interest Management bestimmt die für den Spieler relevanten Informationen, welche meistens mit der Wahrnehmung des Spielcharakters (=Avatar) in der virtuellen Welt zusammenhängen. Um die Wahrnehmung eines Spielers zu bestimmen, behilft man sich zweier Modelle, dem Publisher/Subscriber und dem Aura Nimbus Modell. 3.1 Publisher/Subscriber Modell Ein Publisher ist ein Objekt, das Ereignisse erzeugt, wohingegen ein Subscriber Ereignisse verbraucht. Ein Objekt kann sowohl Publisher als auch Subscriber sein, beispielsweise der Avatar eines Spielers. Interest Management bestimmt, wann ein Subscriber einen Publisher entdeckt und sich für Updates registriert bzw. wieder abmeldet. 3

4 3.2 Aura Nimbus Modell Die Aura ist der Bereich, in dem ein Objekt wahrgenommen werden kann. Der Nimbus ist der Bereich, den ein Objekt wahrnimmt. Schneidet z.b. der Nimbus von Objekt1 die Aura von Objekt2, so nimmt Objekt1 Objekt2 wahr. Abbildung 6: Aura Nimbus Modell Der Vorteil dieses Modells ist, dass nur die relevanten Informationen den Subscribern geschickt und von den Publishern erhalten werden. Muss Information jedoch bei jeder Bewegung eines Objekts oder jeder Überschneidung von Aura und Nimbus übermittelt werden, kann dies zu hohem Berechnungsaufwand führen. Um dieses Modell effizient umzusetzen, wird die Spielwelt in feste Gebiete eingeteilt. 4. World Space Partitioning 4.1 Quadrate/Hexagone Eine Möglichkeit die Spielwelt in feste Gebiete einzuteilen ist die Aufteilung in gleich große Quadrate. Dabei wird jedem Quadrat eine Multicast Gruppe zugeordnet. Die Aura eines Spielers umfasst das Quadrat, in dem er sich befindet und die acht umliegenden. In diesen neun Quadraten registriert er sich und wird bei Veränderungen informiert. 4 Abbildung 7: Einteilung in Quadrate

5 Eine andere Möglichkeit ist die Aufteilung der Welt in gleiche Hexagone. Der Spielcharakter registriert sich dann in den Hexagonen, die sich mit seiner Aura überschneiden, was beispielsweise durch Breitensuche ermittelt werden kann. 4.2 Triangulation Abbildung 8: Einteilung in Hexagone Der Nachteil beider Möglichkeiten ist die schlechte Approximation an die kreisförmige Aura eines Spielers. Die dritte Möglichkeit ist die Triangulation, mit der die Spielwelt in Dreiecke aufgeteilt wird. Ein Algorithmus zur Aufteilung ist beispielsweise die Delaunay Triangulation. Mit Constrained Conforming Delaunay lässt sich eine gleichmäßige Verteilung der Dreiecke erreichen, sodass die Aura relativ genau approximiert werden kann. Abbildung 9: Triangulation Um nun die Dreiecke, die für die Aura relevant sind, festzustellen, benutzt man z.b. den Path Distance Algorithmus, der den kürzesten Pfad zwischen den Mittelpunkten benachbarter Dreiecke berechnet. Der Spielcharakter registriert sich in Dreiecken, die in einer festgelegten Reichweite liegen. Der Algorithmus hat den Vorteil, dass Ergebnisse in den Dreiecken zwischengespeichert und vorausberechnet werden können. Abbildung 10: Path Distance Algorithmus 5

6 5. Dead Reckoning Dead Reckoning bedeutet Kurs Extrapolation und stammt ursprünglich aus der Schifffahrt. Mit dieser Technik wird die Position anhand von vorherigen Positions und Abbildung 11: Dead Reckoning Geschwindigkeitsinformationen eines Punktes ermittelt. Dead Reckoning verringert dadurch die Anzahl der gesendeten Positionsupdates und korrigiert bei falscher Vorhersage den Kurs. 5.1 Prediction technique Zur Berechnung der zukünftigen Position werden Polynome und deren Ableitungen verwendet. Dabei gilt, je höher der Grad des Polynoms, desto höher ist der Rechenaufwand und ebenso der Fehler bei ungenauen Werten. Es werden meist Hybrid Systeme eingesetzt, die zwischen Polynomen ersten und zweiten Grades wechseln. Bei einem Polynom zweiten Grades sieht die prediction technique folgendermaßen aus: Zero order: First order: Second order: Terme höheren Grades können auch im empfangenden Knoten approximiert werden, d.h. es muss statt Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung nur die Position übermittelt werden. Dies geschieht durch das Position History Based Dead Reckoning protocol. Anhand der zeitlichen Ankunft der Positionsupdates werden so Geschwindigkeit und Beschleunigung geschätzt. Weicht die vorausberechnete Position zu sehr von der eigentlichen Position ab, so wird ein neues Update verschickt, welches die Position korrigiert. Je weiter 6

7 das sich bewegende Objekt vom Standpunkt des Betrachters entfernt ist, desto größer ist auch der Toleranzbereich für eine Kurskorrektur. 5.2 Convergence technique Bei einer Abweichung der ursprünglichen Position um einen bestimmten Bereich ist ein Update nötig, um das Objekt wieder auf die richtige Position zu setzen. Zero order convergence setzt das Objekt auf die neue vorausberechnete Position, was zu ruckartigen Bewegungen führen kann. Abbildung 12: Zero order convergence Linear convergence berechnet einen Konvergenzpunkt auf dem neuen prognostizierten Weg und bewegt das Objekt während einer Konvergenzzeit von der alten Position zum Konvergenzpunkt. Abbildung 13: Linear convergence Dadurch werden ruckartige Bewegungen zwar vermieden, der Übergang von dem alten Pfad auf den neuen sieht aber dennoch unnatürlich aus. Fließende Übergänge werden erreicht, indem man die Bewegung beim Pfadwechsel durch eine Kurve glättet. Je höher jedoch der Grad der Kurvenformel ist, desto höher ist auch der Rechenaufwand. 7

8 Abbildung 14: Linear convergence mit Kurvenformel Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Client Server Abbildung 2: Peer to Peer Abbildung 3: Unicast Quelle: Abbildung 4: Broadcast Quelle: Abbildung 5: Multicast Quelle: Abbildung 6: Aura Nimbus Modell Quelle: (abgeändert) Abbildung 7: Einteilung in Quadrate Abbildung 8: Einteilung in Hexagone Abbildung 9: Triangulation Abbildung 10: Path Distance Algorithmus Abbildung 11: Dead Reckoning Quelle: THESIS.pdf Abbildung 12: Zero order convergence Quelle: Abbildung 13: Linear convergence Quelle: (abgeändert) Abbildung 14: Linear convergence mit Kurvenformel Quelle: (abgeändert) 8

9 Literaturverzeichnis [1] Jean Sébastien Boulanger: Interest Management for Massively Multiplayer Games, August 2006 URL: [2] Jean Sébastien Boulanger, Jörg Kienzle, Clark Verbrugge: Comparing Interest Management Algorithms for Massively Multiplayer Games URL: 06 comparing.pdf [3] Jouni Smed, Timo Kaukoranta, Harri Hakonen: Aspects of Networking in Multiplayer Computer Games URL: [4] Jouni Smed, Timo Kaukoranta, Harri Hakonen: A Review on Networking and Multiplayer Computer Games, April 2002 URL: [5] Fengyun Lu, Simon Parkin, Graham Morgan: Load Balancing for Massively Multiplayer Online Games, NETGAMES 2006 [6] Olivier Cado: Propagation of Visual Entity Properties Under Bandwidth Constraints, Mai 2007 URL: entity_.php [7] Michael Gauland: Motion Applet URL: [8] URL: bielefeld.de/~tkaempfe/lehre/uwvision /UWausarbeitungen/Unterwasserroboter_zur_Kabelverfolgung.pdf [9] Gideon Amir, Ramon Axelrod: Massively Multiplayer Game Development 2: Architecture and Techniques for an MMORTS, Juni 2005 URL: [10] URL: 9