深入浅出 node.js 游戏服务器开发 1——基础架构与框架介绍

阅读数:39854 2013 年 1 月 2 日

游戏服务器概述

没开发过游戏的人会觉得游戏服务器是很神秘的东西。但事实上它并不比 web 服务器复杂,无非是给客户端提供网络请求服务,本质上它只是基于长连接的 socket 服务器。当然在逻辑复杂性、消息量、实时性方面有更高的要求。

游戏服务器是复杂的 socket 服务器。

如果说 web 服务器的本质是 http 服务器,那么游戏服务器的本质就是 socket 服务器。 它利用 socket 通讯来实现服务器与客户端之间的交互。事实上有不少游戏是直接基于原生 socket 来开发的。 相对于简单的 socket 服务器,它承受着更加烦重的任务:

  • 后端承载着极复杂的游戏逻辑。
  • 网络流量与消息量巨大,且实时性要求极高。
  • 通常一台 socket 服务器无法支撑复杂的游戏逻辑,因此在 socket 服务器的背后还有一个服务器群。

为什么纯粹的 socket 服务器还不够好?

很多 web 应用不会基于原生的 http 服务器搭建,一般都会基于某类应用服务器(如 tomcat)搭建,而且还会利用一些开发框架来简化 web 开发。 同样,一般游戏服务器的开发都会在 socket 服务器上封装出一套框架或类似的应用服务器。为什么使用原生的 socket 接口开发不够好呢?

  • 抽象程度。原生的 socket 抽象程度过低,接口过于底层,很多机制都需要自己封装,如 Session、filter、请求抽象、广播等机制都要自已实现,工作量很大,容易出错,且有很多的重复劳动。
  • 可伸缩性。高可伸缩性需考虑很多问题,消息密度、存储策略、进程架构等因素都需要考虑。用原生的 socket 要达到高可伸缩性,需要在架构上花费大量的功夫,而且效果也未必能达到开源框架的水准。
  • 服务端的监控、管理。很多服务器的数据需要监控,例如消息密度、在线人数、机器压力、网络压力等,如果采用原生 socket,所有这些都要自己开发,代价很大。

用框架来简化游戏服务器开发

一个好的框架可以大大简化游戏服务器的工作。除了游戏自身的逻辑外,大部分的工作都可以用框架来解决。服务端的抽象,可伸缩性,可扩展性这些问题都可以通过框架来解决。 游戏服务器框架也承担了应用服务器的功能。可以把框架看成容器,只要把符合容器标准的代码扔进去,容器就运行起来了。它自然具备了抽象能力、可伸缩性和监控、管理等能力。

游戏服务器框架介绍

在开源社区里充斥了数不清的 web 服务器框架,游戏客户端的框架和库也有一大堆,但唯独游戏服务器框架少之又少,零星有一些类库,但完整的解决方案几乎没有。我们只好从商用的解决方案中拿出一些框架进行类比:

Sun RedDwarf

RedDwarf 是唯一一个能找到的完整的开源游戏服务器框架,由 sun 出品。可惜在它合并到 Oracle 以后已经停止开发了。 在设计上,RedDwarf 是个分布式架构,它在分布式数据存储和任务管理上投入了太多精力,而且做的过于理想化,如动态任务迁移功能的实现非常复杂,但实际应用中根本用不到。而在可伸缩性和性能的设计上不太理想。因此 RedDwarf 夭折了。

SmartfoxServer

SmartfoxServer 是由意大利的一家游戏公司 gotoAndPlay() 推出的商用游戏服务器。 它是基于 java 开发的,与 web 应用服务器如 Tomcat 看上去很类似。Smartfox 支持各种客户端,且有一些成功案例。它在服务端封装和监控管理方面实现得很完善。 但在可伸缩性上并不是太理想,尽管 Smartfox 也支持 Cluster 模式,但它的扩展方式是基于 jvm 内存复制的。也没有实现传统 MMORPG 基于场景分区的解决方案。 Smartfox 有免费版本,但完全不开源。而且它的免费版本 (达不到高并发用户要求) 很大程度是为了吸引开发者最终购买它的收费版本。不限在线人数的收费版本价格达到 3500 美刀。

BigWorld

Bigworld 是澳大利亚 Bigworld 公司开发的全套 3d MMORPG 游戏解决方案,解决方案包含了客户端和服务端。Bigworld 功能非常强大,在动态负载均衡和容错性做了很多工作。可扩展性非常强大。 它的缺点是过于重量级,对硬件要求高,且价格非常昂贵。Bigworld 是专门为 3d MMORPG 游戏定制,但并不适用于中小型游戏的开发。

Pomelo

Pomelo 是网易于 2012 年 11 月推出的开源游戏服务器。它是基于 node.js 开发的高性能、可伸缩、轻量级游戏服务器框架。 它的主要优势有以下几点:

  • 开发模型快速、易上手,基于 Convention over configuration 的原则,让代码达到最大的简化。
  • 架构的可伸缩性和可扩展性好,pomelo 在服务器扩展和应用扩展上实现得非常方便。
  • 轻量级,虽然是分布式架构,但启动非常迅速,占用资源少。
  • 参考全面,框架不仅提供了完整的中英文档,还提供了完整的 MMO demo 代码 (客户端 html5),可以作为很好的开发参考。

Pomelo 目前的主要缺点是推出时间尚短,一些功能还在完善中,支持的客户端类型还有限,目前已支持 HTML5、ios、android、untiy3d 等 4 类客户端,未来还会支持更多的客户端类型。

游戏服务器的可伸缩性探讨

不管是 web 应用还是游戏服务器,可伸缩性始终是最重要的指标,也是最棘手的问题,它涉及到系统运行架构的搭建,各种优化策略。 只有把可伸缩性设计好了,游戏的规模、同时在线人数、响应时间等参数才能得到保证。

为什么游戏服务器的可伸缩性远远不及 web?

相比 web 应用几乎无限扩展的架构(前提是架构设计得好),游戏服务器的可伸缩性相比就着差远了。那么是哪些因素导致游戏无法达到 web 应用的扩展能力呢? 说明:本文提到的 web 应用不包括类似于聊天这样的高实时 web 应用,高实时 web 可认为是一种逻辑较简单的游戏。

长连接和响应实时性

web 应用都是基于 request/response 的短连接模式。占用的资源要比一直 hold 长连接的游戏服务器要少很多。Web 应用能使用短连接模式的原因如下:

  • 通讯的单向性,普通 web 应用一般只有拉模式
  • 响应的实时性要求不高,一般 web 应用的响应时间在 3 秒以内都算响应比较及时的。

而游戏应用只能使用长连接,原因如下:

  • 通讯的双向性,游戏应用不仅仅是推拉模式,而且推送的数据量要远远大于拉的数据量
  • 响应的实时性要求极高,一般游戏应用要求推送的消息实时反映,而实时响应的最大时间是 100ms。

在高并发长连接服务的解决方案中,目前除了传统的 C 语言(过于重量级)实现,用的最多的是 erlang 与 node.js。两者的性能指标差不多,而 node.js 在易用性方面毫无疑问胜出太多。

最近微博上看到时 go 的能撑起 100 万的并发连接,node.js 也能达到同样的数据, Node.js w/1M concurrent connections! 有 node.js 的长连接数据,它占用了 16G 内存,但 CPU 还远没跑满。

交互的相邻性与分区策略

普通的 web 应用在交互上没有相邻性的概念,所有用户之间的交互都是平等,交互频率也不受地域限制。 而游戏则不然,游戏交互跟玩家所在地图(场景)上的位置关系非常大,如两个玩家在相邻的地方可以互相 PK 或组队打怪。这种相邻的交互频率非常高,对实时性的要求也非常高,这就必须要求相邻玩家在分布在同一个进程里。 于是就有了按场景分区的策略,如图所示:

一个进程里可以有一个场景,也可以有多个场景。这种实现带来了以下问题:

  • 游戏的可伸缩性受到场景进程的限制,如果某个场景过于烦忙可能会把进程撑爆,也就把整个游戏撑爆。
  • 场景服务器是有状态的,每个用户请求必须发回原来的场景服务器。服务器的有状态带来一系列的问题:场景进程的可伸缩,高可用性等都比不上 web 服务器。目前只能通过游戏服务器的隔离来缓解这些问题。

广播

游戏中广播的代价是非常大的。玩家的输入与输出是不对等的,玩家自己简单地动一下,就需要将这个消息实时推送给所有看到这个玩家的其他玩家。 假如场景里面人较少,广播发送的消息数还不多,但如果人数达到很密集的程度,则广播的频度将呈平方级增长。如图所示:

假如场景中 1000 个玩家,每人发 1 条消息,如果需要其它玩家都看到的话,消息的推送量将高达 1,000,000 条,这足以把任何服务器撑爆。

解决这个问题的方案:

  • 减少消息数量 --- 消息只发送给能看到的玩家。玩家能看到的只是屏幕的大小,而不是整张地图的大小,这样推送消息的时候可以只推给对自己的状态感兴趣的玩家。这个可以用 AOI(area of interested)算法来实现,在 pomelo 的库 pomelo-aoi 中实现了简单的灯塔算法。
  • 分担负载,将消息推送的进程与具体的逻辑进程分离。如图:

这样广播逻辑与具体的进程逻辑就不会相互影响了,而且由于只有后端的场景服务器是有状态的,前端负责广播的服务器还是无状态的,因此前端服务器可以无限扩展。

实时 Tick

实时游戏的服务端一般都需要一个定时 tick 来执行定时任务,为了游戏的实时性,一般要求这个 tick 时间在 100ms 之内。这些任务包括以下逻辑:

  • 遍历场景中的实体 (包括玩家、怪物等),进行定时操作,如移动、复活、消失等逻辑。
  • 定期补充场景中被杀掉的怪的数量。
  • 定期执行 AI 操作,如怪物的攻击、逃跑等逻辑。

由于实时 100ms 的限制,这个实时 tick 的执行时间必须要远少于 100ms,因此单进程内很多数据都会受到限制。

  • 场景内实体的数量受限制,因为要遍历所有实体
  • 注意更新的算法,所有的算法,包括 AI 在内都要在几十毫秒全部完成
  • 注意 GC,full GC 最好永远不要发生。一般 full GC 的时间都会高于 100ms,幸好 node.js 在内存少于 500M 时表现良好,只有小 GC。因此一定要控制内存大小。
  • 尽量分进程,进程的粒度越少,出现 tick 超时或 full GC 的可能越少。在多核时代里,CPU 是最廉价的资源。

高可伸缩的运行架构

经过以上这些分析。我们可以得到现在的运行架构,如下图:

运行架构说明:

  • 客户端通过 websocket 长连接连到 connector 服务器群。
  • connector 负责承载连接,并把请求转发到后端的服务器群。
  • 后端的服务器群主要包括按场景分区的场景服务器 (area)、聊天服务器 (chat) 和状态服务器等 (status),这些服务器负责各自的业务逻辑。真实的案例中还会有各种其它类型的服务器。
  • 后端服务器处理完逻辑后把结果返回给 connector,再由 connector 广播回给客户端。 master 负责统一管理这些服务器,包括各服务器的启动、监控和关闭等功能。

这个运行架构符合了刚才提到的几个伸缩性原则:

  • 前后端进程分离,把承载连接和广播的压力尽量分出去。
  • 进程的粒度尽量小,把功能细分到各个服务器
  • 按场景分区

前面提到 4 个游戏服务器框架,只有 bigworld 和 pomelo 符合这样的架构,当然 bigworld 实现的还要更复杂。 现在的问题是,这个运行架构是个分布式架构,而且并不简单,那就带来以下问题:

  • 需要多少的代码来实现这样的运行架构?
  • 服务器类型、数量管理和扩展有点复杂,该怎么管理?
  • 服务器之间会有一堆的相互 rpc 调用,实现起来怎么简化?
  • 分布式的开发和调试并不容易,消耗资源量过大,过于重量级,多进程 bug 定位困难,该怎么解决? Pomelo 和 node.js 将很轻松地帮我们解决这些难题,我们下一节将讨论。

node.js、pomelo 与游戏服务器

Node.js 的特点与游戏服务器极其符合。列举如下:

  • 对网络 IO 的处理能力,node.js 生来就是为 IO 而生的,而游戏服务器刚好是网络密集型的应用。
  • 单线程的应用模型,node.js 的单线程处理能力远比其它语言强大,而单线程处理游戏逻辑是最简单,最不容易出错,而且不可能出现死锁、锁竞争的情况。
  • 语言与轻量的开发模型。Javascript 语言已经不是昔日的吴下阿蒙,它不仅由于脚本语言的轻量、简单带来了开发效率的提升。还可以与一些类型的客户端共享部分代码,如 html5,unity3d 的 js 客户端等。
  • 语言的动态性带来了很多框架设计的便利,如设计 DSL,实现 Convention over configuration。尽管这方面比 ruby 稍差,但在 pomelo 框架中使用已经足够好了。

Pomelo 是基于 node.js 搭建的游戏服务器框架,它在灵活性、扩展能力,轻量级调试方面具有无可比拟的优势。我们先简单回答第三章最末的几个问题:

  • 用 pomelo 来实现以上的运行架构几乎是零代码的,因为它在设计时天生就具备这样的架构。
  • 服务器类型、数量的管理极简单,利用鸭子类型、目录定义,只要一个简单 json 配置文件就可以实现所有服务器的管理。
  • rpc 调用可以实现完全零配置,也不用生成 stub。感谢 js 语言的动态性,基于 Convention over configuration 的原则,可以直接实现 rpc 调用。
  • 分布式的开发和调试只占用很少的资源,启动极其迅速,十几个进程只用 10 秒不到的时间完全启动。多进程调试与单进程调试没有任何区别,只在一个 console 里搞定。

在本系列文章后面将会陆续讨论 pomelo 是怎么实现以上如此方便的特性, 以及这些设计带来的启发。

小结

本文分析了游戏服务器框架的市场现状,一个高可伸缩游戏服务器架构的设计原则及运行架构。Node.js 与 pomelo 在解决高并发和分布式架构中起到的作用。下文我们将深入分析 pomelo 在解决复杂的游戏服务器运行架构中提供了哪些便利。

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Geek_80d10a 2018 年 12 月 20 日 15:57 0 回复
语言太华丽,不太实用
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