Multiplayer-Netzwerk meistern: Ein tiefer Einblick in Client-seitige Vorhersage

In der schnelllebigen Welt der Multiplayer-Spieleentwicklung ist die Schaffung einer nahtlosen und reaktionsschnellen Erfahrung für Spieler auf der ganzen Welt von größter Bedeutung. Eine der Schlüsseltechniken, um dies zu erreichen, insbesondere bei Netzwerklatenz, ist die Client-seitige Vorhersage. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Client-seitige Vorhersage und untersucht ihre zugrunde liegenden Prinzipien, Implementierungsstrategien und Best Practices, um ein flüssiges und fesselndes Multiplayer-Erlebnis zu erzielen.

Was ist Client-seitige Vorhersage?

Client-seitige Vorhersage ist eine Technik, die in Multiplayer-Spielen verwendet wird, um die Auswirkungen der Netzwerklatenz zu mildern. Sie funktioniert, indem sie jedem Client erlaubt, das Ergebnis seiner Aktionen lokal zu vorhersagen, bevor er eine Bestätigung vom Server erhält. Dies erzeugt die Illusion sofortiger Reaktionsfähigkeit, selbst wenn es eine Verzögerung in der Kommunikation mit dem Server gibt. Ohne Client-seitige Vorhersage würden Spieler eine spürbare Verzögerung zwischen ihrer Eingabe und der entsprechenden Aktion im Spiel erleben, was zu einer frustrierenden und unspielbaren Erfahrung führt.

Stellen Sie sich einen Spieler in einem Ego-Shooter vor, der die Taste "Vorwärts bewegen" drückt. Ohne Client-seitige Vorhersage würde sich der Charakter des Spielers erst dann bewegen, nachdem der Server die Eingabe empfangen, verarbeitet und eine Aktualisierung an den Client zurückgesendet hat. Diese Verzögerung, so gering sie auch sein mag, wäre spürbar und störend. Mit Client-seitiger Vorhersage beginnt der Client sofort, den Charakter des Spielers basierend auf der Eingabe des Spielers vorwärts zu bewegen und die Bestätigung des Servers zu antizipieren. Sobald das Update des Servers eintrifft, kann der Client alle Diskrepanzen zwischen dem vorhergesagten Zustand und dem autoritativen Serverzustand abgleichen.

Warum ist Client-seitige Vorhersage wichtig?

Die Bedeutung der Client-seitigen Vorhersage ergibt sich aus den inhärenten Einschränkungen der Netzwerkkommunikation. Latenz, die Verzögerung bei der Übertragung von Daten über ein Netzwerk, ist unvermeidlich. Diese Verzögerung kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, darunter:

• Entfernung: Die physische Entfernung zwischen dem Client und dem Server. Spieler, die sich weit vom Server entfernt befinden, werden naturgemäß eine höhere Latenz erleben. Beispielsweise hat ein Spieler in Tokio, der sich mit einem Server in New York verbindet, eine deutlich höhere Latenz als ein Spieler in New York, der sich mit demselben Server verbindet.
• Netzwerküberlastung: Die Menge des Datenverkehrs im Netzwerk. Während der Stoßzeiten kann die Netzwerküberlastung die Latenz erhöhen.
• Netzwerk-Hardware: Die Qualität und Konfiguration der Netzwerk-Hardware, wie z. B. Router und Switches.
• Verarbeitungsverzögerungen: Verzögerungen, die durch die Serververarbeitung der Spiellogik und die Aktualisierung des Spielzustands entstehen.

Ohne Mitigationstechniken wie die Client-seitige Vorhersage würden diese Verzögerungen Echtzeit-Multiplayer-Spiele unspielbar machen. Die Client-seitige Vorhersage hilft dabei:

• Reduzierung der wahrgenommenen Latenz: Durch die lokale Vorhersage des Ergebnisses von Spieleraktionen maskiert die Client-seitige Vorhersage die Auswirkungen der Netzwerklatenz und sorgt dafür, dass sich das Spiel reaktionsschneller anfühlt.
• Verbesserung der Reaktionsfähigkeit des Spielers: Spieler können schneller und genauer auf Ereignisse im Spiel reagieren, was zu einem fesselnderen und wettbewerbsfähigeren Erlebnis führt.
• Schaffung eines flüssigeren Spielerlebnisses: Die Client-seitige Vorhersage reduziert die störenden Auswirkungen von Verzögerungen, was zu einem flüssigeren und angenehmeren Spielerlebnis führt.

Kernkonzepte der Client-seitigen Vorhersage

Das Verständnis der folgenden Konzepte ist entscheidend für die Implementierung einer effektiven Client-seitigen Vorhersage:

1. Client-Autorität vs. Server-Autorität

In einem vernetzten Spiel wird der Server in der Regel als die maßgebliche Quelle der Wahrheit für den Spielzustand betrachtet. Dies bedeutet, dass der Server für die Verarbeitung der Spiellogik, die Behebung von Konflikten und die Sicherstellung der Synchronisierung aller Clients verantwortlich ist. Sich ausschließlich auf die Serverautorität zu verlassen, kann jedoch zu erheblichen Latenzproblemen führen. Die Client-seitige Vorhersage ermöglicht es Clients, vorübergehend die Autorität über bestimmte Aspekte des Spielzustands zu übernehmen, z. B. die Bewegung ihres eigenen Charakters, um ein reaktionsschnelleres Erlebnis zu bieten. Der Server bleibt letztendlich die maßgebliche Quelle, und alle Diskrepanzen zwischen der Vorhersage des Clients und dem Zustand des Servers müssen behoben werden.

2. Spielzustand

Der Spielzustand stellt den aktuellen Zustand der Spielwelt zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Dazu gehören die Positionen, Ausrichtungen, Geschwindigkeiten und andere relevante Eigenschaften aller Spielobjekte. Die Client-seitige Vorhersage umfasst die Aufrechterhaltung einer lokalen Kopie des Spielzustands auf jedem Client, die basierend auf der Eingabe des Spielers und den vorhergesagten Physiksimulationen aktualisiert wird. Der Server verwaltet außerdem eine maßgebliche Kopie des Spielzustands, die verwendet wird, um etwaige Diskrepanzen im lokalen Zustand des Clients zu korrigieren.

3. Eingabepufferung

Die Eingabepufferung ist der Prozess, bei dem Spielereingaben lokal auf dem Client gespeichert werden, bevor sie an den Server gesendet werden. Dies ermöglicht es dem Client, die Eingabe erneut abzuspielen und den Spielzustand bei Bedarf neu zu simulieren, z. B. um Fehler in der Vorhersage zu korrigieren. Der Eingabepuffer speichert in der Regel einen Verlauf der letzten Spielereingaben zusammen mit Zeitstempeln, die angeben, wann jede Eingabe generiert wurde.

4. Abgleich

Der Abgleich ist der Prozess, bei dem der vorhergesagte Spielzustand des Clients mit dem vom Server empfangenen maßgeblichen Spielzustand verglichen wird. Wenn es Diskrepanzen zwischen den beiden gibt, muss der Client seinen lokalen Zustand korrigieren, um dem Zustand des Servers zu entsprechen. Dieser Korrekturprozess kann entweder durch einfaches Überschreiben des Zustands des Clients mit dem Zustand des Servers oder durch Verwendung ausgefeilterer Techniken erfolgen, um einen reibungslosen Übergang zwischen dem vorhergesagten Zustand und dem maßgeblichen Zustand zu ermöglichen.

5. Koppelnavigation

Die Koppelnavigation ist eine Technik, die verwendet wird, um die zukünftige Position eines Objekts basierend auf seiner aktuellen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu extrapolieren. Dies kann verwendet werden, um die Datenmenge zu reduzieren, die über das Netzwerk übertragen werden muss, da der Server nur dann Aktualisierungen senden muss, wenn die Trajektorie des Objekts erheblich vom vorhergesagten Pfad abweicht. Die Koppelnavigation wird häufig in Verbindung mit der Client-seitigen Vorhersage verwendet, um die wahrgenommene Latenz weiter zu reduzieren.

Implementierung der Client-seitigen Vorhersage

Die Implementierung der Client-seitigen Vorhersage erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Spielarchitektur, der Physik-Engine und des Netzwerkprotokolls. Hier ist ein allgemeiner Überblick über die erforderlichen Schritte:

1. Sammeln von Spielereingaben

Der erste Schritt besteht darin, Spielereingaben lokal auf dem Client zu sammeln. Dies kann mithilfe von Standard-Eingabegeräten wie Tastaturen, Mäusen und Gamepads erfolgen. Die Eingabe sollte mit einem Zeitstempel versehen werden, um eine genaue Synchronisierung mit dem Server zu gewährleisten.

2. Vorhersage des Ergebnisses von Spieleraktionen

Sobald die Spielereingabe erfasst wurde, kann der Client das Ergebnis der Aktionen des Spielers lokal vorhersagen. Dies beinhaltet in der Regel die Simulation der Physik-Engine des Spiels auf dem Client und die entsprechende Aktualisierung des Spielzustands. Der Client sollte die gleichen Physikparameter wie der Server verwenden, um eine genaue Vorhersage zu gewährleisten.

Wenn der Spieler beispielsweise die Taste "Springen" drückt, sollte der Client sofort eine Aufwärtskraft auf den Charakter des Spielers ausüben und die resultierende Trajektorie simulieren. Dies erzeugt die Illusion sofortiger Reaktionsfähigkeit, obwohl der Server die Aktion noch nicht bestätigt hat.

3. Senden von Spielereingaben an den Server

Nachdem das Ergebnis der Aktionen des Spielers vorhergesagt wurde, sollte der Client die Spielereingabe an den Server senden. Die Eingabe sollte so schnell und zuverlässig wie möglich gesendet werden, um die Latenz zu minimieren. Die Eingabedaten sollten den Zeitstempel der Eingabe sowie alle anderen relevanten Informationen enthalten, wie z. B. die Richtung und Größe der Eingabekraft.

4. Führen eines Eingabepuffers

Der Client sollte einen Eingabepuffer führen, um einen Verlauf der letzten Spielereingaben zu speichern. Dieser Puffer wird verwendet, um die Eingabe erneut abzuspielen und den Spielzustand bei Bedarf neu zu simulieren, z. B. um Fehler in der Vorhersage zu korrigieren. Der Eingabepuffer sollte groß genug sein, um mehrere Sekunden an Eingabedaten zu speichern.

5. Empfangen von maßgeblichen Aktualisierungen vom Server

Der Server sollte dem Client regelmäßig maßgebliche Aktualisierungen des Spielzustands senden. Diese Aktualisierungen sollten die Positionen, Ausrichtungen, Geschwindigkeiten und andere relevante Eigenschaften aller Spielobjekte enthalten. Die Häufigkeit dieser Aktualisierungen hängt von den Anforderungen des Spiels und der verfügbaren Bandbreite ab.

6. Abgleich des vorhergesagten Zustands des Clients mit dem Zustand des Servers

Wenn der Client eine maßgebliche Aktualisierung vom Server empfängt, sollte er seinen vorhergesagten Spielzustand mit dem Zustand des Servers vergleichen. Wenn es Diskrepanzen zwischen den beiden gibt, muss der Client seinen lokalen Zustand korrigieren, um dem Zustand des Servers zu entsprechen. Dieser Korrekturprozess kann auf verschiedene Arten implementiert werden, abhängig von den Anforderungen des Spiels.

Ein gängiger Ansatz besteht darin, den Zustand des Clients einfach mit dem Zustand des Servers zu überschreiben. Dies kann jedoch zu störenden visuellen Diskontinuitäten führen, insbesondere wenn die Diskrepanzen groß sind. Ein ausgefeilterer Ansatz besteht darin, über einen kurzen Zeitraum einen reibungslosen Übergang zwischen dem vorhergesagten Zustand und dem maßgeblichen Zustand zu ermöglichen. Dies kann mithilfe von Techniken wie Interpolation und Glättung erreicht werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Umgang mit Kollisionen. Wenn der Client eine Kollision vorhersagt, die auf dem Server nicht auftritt, oder umgekehrt, muss der Client seine Trajektorie entsprechend anpassen. Dies kann eine Herausforderung sein, insbesondere in komplexen Umgebungen mit vielen sich bewegenden Objekten.

Fortgeschrittene Techniken

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Kernkonzepten und Implementierungsschritten gibt es mehrere fortgeschrittene Techniken, die verwendet werden können, um die Effektivität der Client-seitigen Vorhersage weiter zu verbessern:

1. Delta-Komprimierung

Die Delta-Komprimierung ist eine Technik, die verwendet wird, um die Datenmenge zu reduzieren, die über das Netzwerk übertragen werden muss. Anstatt jedes Mal den gesamten Spielzustand zu senden, sendet der Server nur die Unterschiede (oder Deltas) zwischen dem aktuellen Zustand und dem vorherigen Zustand. Dies kann die Bandbreitenanforderungen erheblich reduzieren, insbesondere in Spielen mit vielen sich bewegenden Objekten.

2. Interessenverwaltung

Die Interessenverwaltung ist eine Technik, die verwendet wird, um die Datenmenge zu reduzieren, die jeder Client verarbeiten muss. Jedem Client werden nur Aktualisierungen für die Spielobjekte gesendet, die sich in seiner "Interessenzone" befinden. Diese Zone entspricht in der Regel dem Sichtfeld des Clients oder der Umgebung. Die Interessenverwaltung kann die Leistung erheblich verbessern, insbesondere in großen Open-World-Spielen.

3. Latenzausgleich

Der Latenzausgleich ist eine Technik, die verwendet wird, um die Auswirkungen der Latenz bei der Verarbeitung von Spielereingaben auszugleichen. Wenn ein Spieler eine Waffe abfeuert, muss der Server feststellen, ob der Schuss das Ziel getroffen hat. Aufgrund der Latenz kann die Position des Spielers zum Zeitpunkt des Abfeuerns des Schusses jedoch von seiner aktuellen Position abweichen. Der Latenzausgleich versucht, den Spielzustand auf den Zeitpunkt des Abfeuerns des Schusses zurückzusetzen, damit der Server genau feststellen kann, ob der Schuss das Ziel getroffen hat. Es gibt verschiedene Latenzausgleichstechniken, von denen jede ihre eigenen Kompromisse in Bezug auf Genauigkeit und Leistung aufweist.

4. Sub-Tick-Simulation

Die Sub-Tick-Simulation umfasst die Ausführung der Physik-Engine des Spiels mit einer höheren Frequenz als die Netzwerkaktualisierungsrate. Dies kann die Genauigkeit der Client-seitigen Vorhersage verbessern, insbesondere in Spielen mit sich schnell bewegenden Objekten oder komplexen Physikinteraktionen. Wenn die Netzwerkaktualisierungsrate beispielsweise 30 Hz beträgt, könnte die Physik-Engine mit 60 Hz oder sogar höher ausgeführt werden. Dies ermöglicht es dem Client, das Ergebnis von Spieleraktionen zwischen Netzwerkaktualisierungen genauer vorherzusagen.

Häufige Herausforderungen und Lösungen

Die Implementierung der Client-seitigen Vorhersage kann eine Herausforderung sein, und es gibt mehrere häufige Fallstricke, die es zu vermeiden gilt:

1. Vorhersagefehler

Vorhersagefehler sind unvermeidlich, da die lokale Simulation des Clients niemals perfekt mit dem maßgeblichen Zustand des Servers synchronisiert wird. Der Schlüssel liegt darin, diese Fehler zu minimieren und sie elegant zu behandeln. Dies kann durch die Verwendung genauer Physikmodelle, die Minimierung der Netzwerklatenz und die Implementierung robuster Abgleichstechniken erreicht werden.

Lösung: Implementieren Sie Glättungstechniken, um die visuellen Auswirkungen von Korrekturen zu minimieren. Verwenden Sie eine gut abgestimmte Physik-Engine und stellen Sie sicher, dass der Client und der Server die gleichen Physikparameter verwenden.

2. Kollisionsbehandlung

Die korrekte Behandlung von Kollisionen in einer vernetzten Umgebung kann schwierig sein, da der Client und der Server unterschiedliche Ansichten der Spielwelt haben können. Dies kann zu Situationen führen, in denen der Client eine Kollision vorhersagt, die auf dem Server nicht auftritt, oder umgekehrt. Eine ungenaue Kollisionsbehandlung kann dazu führen, dass Spieler durch Wände hindurchclippen oder in der Umgebung stecken bleiben.

Lösung: Verwenden Sie sowohl auf dem Client als auch auf dem Server ein konsistentes Kollisionserkennungssystem. Implementieren Sie einen Kollisionsabgleich, um Diskrepanzen zwischen den vorhergesagten Kollisionen des Clients und den maßgeblichen Kollisionen des Servers zu korrigieren.

3. Cheaten

Die Client-seitige Vorhersage kann es Spielern erleichtern zu cheaten, da sie mehr Kontrolle über ihren lokalen Spielzustand haben. Es ist entscheidend, Anti-Cheat-Maßnahmen zu implementieren, um zu verhindern, dass Spieler das System ausnutzen.

Lösung: Führen Sie eine serverseitige Validierung von Spieleraktionen durch. Implementieren Sie Anti-Cheat-Systeme, um gängige Cheat-Techniken zu erkennen und zu verhindern. Aktualisieren Sie Ihre Anti-Cheat-Systeme regelmäßig, um Cheatoren einen Schritt voraus zu sein.

Beispiele in beliebten Spielen

Viele beliebte Multiplayer-Spiele verwenden die Client-seitige Vorhersage, um ein reaktionsschnelles und fesselndes Erlebnis zu bieten. Hier sind einige Beispiele:

• Counter-Strike: Global Offensive (CS:GO): CS:GO ist ein Ego-Shooter, der stark auf Client-seitige Vorhersage und Latenzausgleich angewiesen ist, um ein wettbewerbsfähiges und reaktionsschnelles Erlebnis zu bieten, selbst bei unterschiedlichen Netzwerkbedingungen in seiner globalen Spielerbasis. Das Spiel verwendet ausgefeilte Techniken, um Spielerbewegungen und Waffenfeuer vorherzusagen, die wahrgenommene Verzögerung zu minimieren und sicherzustellen, dass sich die Trefferregistrierung genau anfühlt.
• Fortnite: Fortnite verwendet Client-seitige Vorhersage, um die komplexen Bewegungs- und Baumechaniken zu handhaben, die für sein Gameplay von zentraler Bedeutung sind. Das Spiel sagt Spielerbewegungen und Bauplatzierungen lokal voraus, sodass Spieler schnell reagieren und Strukturen in Echtzeit erstellen können. Der Server validiert diese Aktionen dann und gleicht alle Diskrepanzen aus, um sicherzustellen, dass der Spielzustand konsistent bleibt.
• Overwatch: Overwatch verwendet Client-seitige Vorhersage, um die schnelle Action und die vielfältigen Heldenfähigkeiten zu handhaben. Das Spiel sagt Spielerbewegungen, Fähigkeitseinsatz und Projektiltrajektorien voraus, minimiert die wahrgenommene Verzögerung und ermöglicht es den Spielern, schnell auf feindliche Aktionen zu reagieren. Der Server validiert diese Aktionen dann und gleicht alle Diskrepanzen aus, um sicherzustellen, dass der Spielzustand über alle Clients hinweg konsistent bleibt.

Bewährte Methoden für die Client-seitige Vorhersage

Um den Erfolg Ihrer Client-seitigen Vorhersageimplementierung sicherzustellen, sollten Sie die folgenden bewährten Methoden berücksichtigen:

• Priorisieren Sie die Genauigkeit: Verwenden Sie genaue Physikmodelle und minimieren Sie die Netzwerklatenz, um Vorhersagefehler zu reduzieren.
• Implementieren Sie einen robusten Abgleich: Entwickeln Sie robuste Abgleichstechniken, um Diskrepanzen zwischen dem vorhergesagten Zustand des Clients und dem Zustand des Servers zu korrigieren.
• Optimieren Sie die Leistung: Optimieren Sie Ihren Code, um sicherzustellen, dass sich die Client-seitige Vorhersage nicht negativ auf die Leistung auswirkt.
• Testen Sie gründlich: Testen Sie Ihre Implementierung gründlich unter verschiedenen Netzwerkbedingungen, um Probleme zu identifizieren und zu beheben.
• Überwachen und iterieren Sie: Überwachen Sie die Leistung Ihres Spiels und das Feedback der Spieler, um Bereiche für Verbesserungen zu identifizieren.

Die Zukunft der Client-seitigen Vorhersage

Da sich die Netzwerktechnologie ständig weiterentwickelt, wird die Client-seitige Vorhersage weiterhin eine entscheidende Technik sein, um reaktionsschnelle und fesselnde Multiplayer-Erlebnisse zu schaffen. Zukünftige Fortschritte in der Netzwerkinfrastruktur, wie z. B. 5G und Edge Computing, werden noch ausgefeiltere Client-seitige Vorhersagetechniken ermöglichen. Wir können mit fortschrittlicheren Algorithmen zur Vorhersage des Spielerverhaltens, effizienteren Methoden zum Abgleich des Zustands des Clients mit dem Zustand des Servers und robusteren Anti-Cheat-Maßnahmen rechnen, um zu verhindern, dass Spieler das System ausnutzen.

Fazit

Die Client-seitige Vorhersage ist eine wesentliche Technik für die Entwicklung reaktionsschneller und fesselnder Multiplayer-Spiele. Indem Clients das Ergebnis ihrer Aktionen lokal vorhersagen können, mildert die Client-seitige Vorhersage die Auswirkungen der Netzwerklatenz und schafft ein flüssigeres und angenehmeres Spielerlebnis. Die Implementierung der Client-seitigen Vorhersage kann zwar eine Herausforderung sein, aber die Vorteile sind die Mühe wert. Indem Sie die Kernkonzepte verstehen, die bewährten Methoden befolgen und Ihre Implementierung kontinuierlich überwachen und iterieren, können Sie ein Multiplayer-Spiel erstellen, das Spielern auf der ganzen Welt ein wirklich immersives und reaktionsschnelles Erlebnis bietet.