Maîtriser le Réseau Multijoueur : Une Plongée en Profondeur dans la Prédiction Côté Client

Dans le monde effréné du développement de jeux multijoueurs, créer une expérience fluide et réactive pour les joueurs du monde entier est primordial. L'une des techniques clés pour y parvenir, surtout en présence de latence réseau, est la prédiction côté client. Cet article offre un aperçu complet de la prédiction côté client, en explorant ses principes sous-jacents, ses stratégies d'implémentation et les meilleures pratiques pour obtenir une expérience multijoueur fluide et engageante.

Qu'est-ce que la Prédiction Côté Client ?

La prédiction côté client est une technique utilisée dans les jeux multijoueurs pour atténuer les effets de la latence réseau. Elle fonctionne en permettant à chaque client de prédire le résultat de ses actions localement, avant de recevoir la confirmation du serveur. Cela crée l'illusion d'une réactivité instantanée, même lorsqu'il y a un délai de communication avec le serveur. Sans la prédiction côté client, les joueurs subiraient un décalage notable entre leur commande et l'action correspondante dans le jeu, ce qui mènerait à une expérience frustrante et injouable.

Imaginez un joueur dans un jeu de tir à la première personne qui appuie sur la touche "avancer". Sans prédiction côté client, le personnage du joueur ne commencerait à bouger qu'après que le serveur ait reçu la commande, l'ait traitée et ait renvoyé une mise à jour au client. Ce délai, aussi minime soit-il, serait perceptible et dérangeant. Avec la prédiction côté client, le client commence immédiatement à faire avancer le personnage en fonction de la commande du joueur, anticipant la confirmation du serveur. Une fois que la mise à jour du serveur arrive, le client peut réconcilier les éventuelles divergences entre l'état prédit et l'état faisant autorité du serveur.

Pourquoi la Prédiction Côté Client est-elle si Importante ?

L'importance de la prédiction côté client découle des limitations inhérentes à la communication réseau. La latence, le délai de transmission des données sur un réseau, est inévitable. Ce délai peut être causé par divers facteurs, notamment :

• Distance : La distance physique entre le client et le serveur. Les joueurs situés loin du serveur connaîtront naturellement une latence plus élevée. Par exemple, un joueur à Tokyo se connectant à un serveur à New York aura une latence significativement plus élevée qu'un joueur à New York se connectant au même serveur.
• Congestion du réseau : La quantité de trafic sur le réseau. Pendant les heures de pointe, la congestion du réseau peut augmenter la latence.
• Matériel réseau : La qualité et la configuration du matériel réseau, comme les routeurs et les commutateurs.
• Délais de traitement : Les délais occasionnés par le traitement de la logique du jeu par le serveur et la mise à jour de l'état du jeu.

Sans techniques d'atténuation comme la prédiction côté client, ces délais rendraient les jeux multijoueurs en temps réel injouables. La prédiction côté client aide à :

• Réduire la latence perçue : En prédisant localement le résultat des actions du joueur, la prédiction côté client masque les effets de la latence réseau, rendant le jeu plus réactif.
• Améliorer la réactivité du joueur : Les joueurs peuvent réagir plus rapidement et avec plus de précision aux événements du jeu, ce qui conduit à une expérience plus engageante et compétitive.
• Créer une expérience de jeu plus fluide : La prédiction côté client réduit les effets dérangeants du décalage, résultant en une expérience de jeu plus fluide et agréable.

Concepts Fondamentaux de la Prédiction Côté Client

Comprendre les concepts suivants est crucial pour mettre en œuvre une prédiction côté client efficace :

1. Autorité du Client contre Autorité du Serveur

Dans un jeu en réseau, le serveur est généralement considéré comme la source de vérité faisant autorité pour l'état du jeu. Cela signifie que le serveur est responsable du traitement de la logique du jeu, de la résolution des conflits et de la synchronisation de tous les clients. Cependant, se fier uniquement à l'autorité du serveur peut entraîner d'importants problèmes de latence. La prédiction côté client permet aux clients d'assumer temporairement l'autorité sur certains aspects de l'état du jeu, comme le mouvement de leur propre personnage, pour offrir une expérience plus réactive. Le serveur reste finalement la source faisant autorité, et toute divergence entre la prédiction du client et l'état du serveur doit être réconciliée.

2. État du Jeu

L'état du jeu représente la condition actuelle du monde du jeu à un moment donné. Cela inclut les positions, les orientations, les vitesses et d'autres propriétés pertinentes de tous les objets du jeu. La prédiction côté client implique de maintenir une copie locale de l'état du jeu sur chaque client, qui est mise à jour en fonction des entrées du joueur et des simulations physiques prédites. Le serveur maintient également une copie faisant autorité de l'état du jeu, qui est utilisée pour corriger toute divergence dans l'état local du client.

3. Mise en Tampon des Entrées

La mise en tampon des entrées est le processus de stockage local des entrées du joueur sur le client avant de les envoyer au serveur. Cela permet au client de rejouer les entrées et de re-simuler l'état du jeu si nécessaire, par exemple, lors de la correction d'erreurs dans la prédiction. Le tampon d'entrées stocke généralement un historique des entrées récentes du joueur, ainsi que des horodatages indiquant quand chaque entrée a été générée.

4. Réconciliation

La réconciliation est le processus de comparaison de l'état du jeu prédit par le client avec l'état du jeu faisant autorité reçu du serveur. S'il y a des divergences entre les deux, le client doit corriger son état local pour qu'il corresponde à celui du serveur. Ce processus de correction peut impliquer de simplement écraser l'état du client avec celui du serveur, ou d'utiliser des techniques plus sophistiquées pour une transition en douceur entre l'état prédit et l'état faisant autorité.

5. Navigation à l'Estime

La navigation à l'estime (dead reckoning) est une technique utilisée pour extrapoler la position future d'un objet en se basant sur sa position, sa vitesse et son accélération actuelles. Cela peut être utilisé pour réduire la quantité de données à transmettre sur le réseau, car le serveur n'a besoin d'envoyer des mises à jour que lorsque la trajectoire de l'objet s'écarte de manière significative du chemin prédit. La navigation à l'estime est souvent utilisée en conjonction avec la prédiction côté client pour réduire davantage la latence perçue.

Implémenter la Prédiction Côté Client

L'implémentation de la prédiction côté client nécessite une attention particulière à l'architecture du jeu, au moteur physique et au protocole réseau. Voici un aperçu général des étapes impliquées :

1. Collecter les Entrées du Joueur

La première étape consiste à collecter localement les entrées du joueur sur le client. Cela peut être fait à l'aide de périphériques d'entrée standard tels que les claviers, les souris et les manettes. Les entrées doivent être horodatées pour assurer une synchronisation précise avec le serveur.

2. Prédire le Résultat des Actions du Joueur

Une fois les entrées du joueur collectées, le client peut prédire localement le résultat des actions du joueur. Cela implique généralement de simuler le moteur physique du jeu sur le client et de mettre à jour l'état du jeu en conséquence. Le client doit utiliser les mêmes paramètres physiques que le serveur pour garantir une prédiction précise.

Par exemple, si le joueur appuie sur le bouton "sauter", le client doit immédiatement appliquer une force vers le haut au personnage du joueur et simuler la trajectoire résultante. Cela créera l'illusion d'une réactivité instantanée, même si le serveur n'a pas encore confirmé l'action.

3. Envoyer les Entrées du Joueur au Serveur

Après avoir prédit le résultat des actions du joueur, le client doit envoyer les entrées du joueur au serveur. Les entrées doivent être envoyées aussi rapidement et de manière aussi fiable que possible pour minimiser la latence. Les données d'entrée doivent inclure l'horodatage de l'entrée, ainsi que toute autre information pertinente, telle que la direction et la magnitude de la force d'entrée.

4. Maintenir un Tampon d'Entrées

Le client doit maintenir un tampon d'entrées pour stocker un historique des entrées récentes du joueur. Ce tampon sera utilisé pour rejouer les entrées et re-simuler l'état du jeu si nécessaire, par exemple, lors de la correction d'erreurs dans la prédiction. Le tampon d'entrées doit être suffisamment grand pour stocker plusieurs secondes de données d'entrée.

5. Recevoir les Mises à Jour Faisant Autorité du Serveur

Le serveur doit envoyer périodiquement des mises à jour faisant autorité de l'état du jeu au client. Ces mises à jour doivent inclure les positions, les orientations, les vitesses et d'autres propriétés pertinentes de tous les objets du jeu. La fréquence de ces mises à jour dépendra des exigences du jeu et de la bande passante disponible.

6. Réconcilier l'État Prédit du Client avec l'État du Serveur

Lorsque le client reçoit une mise à jour faisant autorité du serveur, il doit comparer son état de jeu prédit avec l'état du serveur. S'il y a des divergences entre les deux, le client doit corriger son état local pour qu'il corresponde à celui du serveur. Ce processus de correction peut être mis en œuvre de différentes manières, en fonction des exigences du jeu.

Une approche courante consiste à simplement écraser l'état du client avec celui du serveur. Cependant, cela peut entraîner des discontinuités visuelles discordantes, surtout si les divergences sont importantes. Une approche plus sophistiquée consiste à passer en douceur de l'état prédit à l'état faisant autorité sur une courte période. Cela peut être réalisé à l'aide de techniques telles que l'interpolation et le lissage.

Une autre considération importante est la manière de gérer les collisions. Si le client prédit une collision qui ne se produit pas sur le serveur, ou vice versa, le client doit ajuster sa trajectoire en conséquence. Cela peut être difficile, surtout dans des environnements complexes avec de nombreux objets en mouvement.

Techniques Avancées

En plus des concepts de base et des étapes d'implémentation décrits ci-dessus, plusieurs techniques avancées peuvent être utilisées pour améliorer davantage l'efficacité de la prédiction côté client :

1. Compression Delta

La compression delta est une technique utilisée pour réduire la quantité de données à transmettre sur le réseau. Au lieu d'envoyer l'état complet du jeu à chaque fois, le serveur envoie uniquement les différences (ou deltas) entre l'état actuel et l'état précédent. Cela peut réduire considérablement les besoins en bande passante, en particulier dans les jeux avec de nombreux objets en mouvement.

2. Gestion de l'Intérêt

La gestion de l'intérêt est une technique utilisée pour réduire la quantité de données que chaque client doit traiter. Chaque client ne reçoit que des mises à jour pour les objets du jeu qui se trouvent dans sa "zone d'intérêt". Cette zone correspond généralement au champ de vision du client ou à la zone environnante. La gestion de l'intérêt peut améliorer considérablement les performances, en particulier dans les grands jeux en monde ouvert.

3. Compensation de Latence

La compensation de latence est une technique utilisée pour compenser les effets de la latence lors du traitement des entrées du joueur. Lorsqu'un joueur tire avec une arme, le serveur doit déterminer si le tir a atteint la cible. Cependant, en raison de la latence, la position du joueur au moment du tir peut être différente de sa position actuelle. La compensation de latence tente de remonter l'état du jeu au moment où le tir a été effectué, afin que le serveur puisse déterminer avec précision si le tir a atteint la cible. Il existe diverses techniques de compensation de latence, chacune avec ses propres compromis en termes de précision et de performance.

4. Simulation Sub-Tick

La simulation sub-tick consiste à exécuter le moteur physique du jeu à une fréquence plus élevée que le taux de mise à jour du réseau. Cela peut améliorer la précision de la prédiction côté client, en particulier dans les jeux avec des objets se déplaçant rapidement ou des interactions physiques complexes. Par exemple, si le taux de mise à jour du réseau est de 30 Hz, le moteur physique pourrait être exécuté à 60 Hz ou même plus. Cela permet au client de prédire plus précisément le résultat des actions du joueur entre les mises à jour du réseau.

Défis Courants et Solutions

L'implémentation de la prédiction côté client peut être difficile, et il y a plusieurs pièges courants à éviter :

1. Erreurs de Prédiction

Les erreurs de prédiction sont inévitables, car la simulation locale du client ne sera jamais parfaitement synchronisée avec l'état faisant autorité du serveur. La clé est de minimiser ces erreurs et de les gérer avec élégance. Cela peut être réalisé en utilisant des modèles physiques précis, en minimisant la latence du réseau et en mettant en œuvre des techniques de réconciliation robustes.

Solution : Mettre en œuvre des techniques de lissage pour minimiser l'impact visuel des corrections. Utiliser un moteur physique bien réglé et s'assurer que le client et le serveur utilisent les mêmes paramètres physiques.

2. Gestion des Collisions

La gestion correcte des collisions dans un environnement en réseau peut être difficile, car le client et le serveur peuvent avoir des vues différentes du monde du jeu. Cela peut conduire à des situations où le client prédit une collision qui ne se produit pas sur le serveur, ou vice versa. Une gestion imprécise des collisions peut entraîner des joueurs qui traversent les murs ou qui restent coincés dans l'environnement.

Solution : Utiliser un système de détection de collision cohérent sur le client et le serveur. Mettre en œuvre une réconciliation des collisions pour corriger les divergences entre les collisions prédites par le client et les collisions faisant autorité du serveur.

3. Triche

La prédiction côté client peut faciliter la triche pour les joueurs, car ils ont plus de contrôle sur l'état local de leur jeu. Il est crucial de mettre en place des mesures anti-triche pour empêcher les joueurs d'exploiter le système.

Solution : Effectuer une validation côté serveur des actions des joueurs. Mettre en place des systèmes anti-triche pour détecter et prévenir les techniques de triche courantes. Mettre régulièrement à jour vos systèmes anti-triche pour garder une longueur d'avance sur les tricheurs.

Exemples dans des Jeux Populaires

De nombreux jeux multijoueurs populaires utilisent la prédiction côté client pour offrir une expérience réactive et engageante. Voici quelques exemples :

• Counter-Strike: Global Offensive (CS:GO) : CS:GO est un jeu de tir à la première personne qui repose fortement sur la prédiction côté client et la compensation de latence pour offrir une expérience compétitive et réactive, même avec des conditions de réseau variables au sein de sa base de joueurs mondiale. Le jeu utilise des techniques sophistiquées pour prédire le mouvement des joueurs et les tirs d'armes, minimisant le décalage perçu et garantissant que la détection des coups semble précise.
• Fortnite : Fortnite emploie la prédiction côté client pour gérer les mécanismes complexes de mouvement et de construction qui sont au cœur de son gameplay. Le jeu prédit localement les mouvements des joueurs et les placements de construction, permettant aux joueurs de réagir rapidement et de créer des structures en temps réel. Le serveur valide ensuite ces actions et réconcilie les éventuelles divergences, garantissant que l'état du jeu reste cohérent.
• Overwatch : Overwatch utilise la prédiction côté client pour gérer l'action rapide et les diverses capacités des héros. Le jeu prédit le mouvement des joueurs, l'utilisation des capacités et les trajectoires des projectiles, minimisant le décalage perçu et permettant aux joueurs de réagir rapidement aux actions ennemies. Le serveur valide ensuite ces actions et réconcilie les éventuelles divergences, garantissant que l'état du jeu reste cohérent sur tous les clients.

Meilleures Pratiques pour la Prédiction Côté Client

Pour assurer le succès de votre implémentation de la prédiction côté client, considérez les meilleures pratiques suivantes :

• Prioriser la précision : Utilisez des modèles physiques précis et minimisez la latence du réseau pour réduire les erreurs de prédiction.
• Implémenter une réconciliation robuste : Développez des techniques de réconciliation robustes pour corriger les divergences entre l'état prédit du client et l'état du serveur.
• Optimiser les performances : Optimisez votre code pour vous assurer que la prédiction côté client n'affecte pas négativement les performances.
• Tester minutieusement : Testez votre implémentation de manière approfondie dans diverses conditions de réseau pour identifier et corriger tout problème.
• Surveiller et itérer : Surveillez les performances de votre jeu et les retours des joueurs pour identifier les domaines à améliorer.

L'Avenir de la Prédiction Côté Client

Alors que la technologie réseau continue d'évoluer, la prédiction côté client restera une technique cruciale pour créer des expériences multijoueurs réactives et engageantes. Les futures avancées dans l'infrastructure réseau, telles que la 5G et le Edge Computing, permettront des techniques de prédiction côté client encore plus sophistiquées. Nous pouvons nous attendre à voir des algorithmes plus avancés pour prédire le comportement des joueurs, des méthodes plus efficaces pour réconcilier l'état du client avec celui du serveur, et des mesures anti-triche plus robustes pour empêcher les joueurs d'exploiter le système.

Conclusion

La prédiction côté client est une technique essentielle pour développer des jeux multijoueurs réactifs et engageants. En permettant aux clients de prédire localement le résultat de leurs actions, la prédiction côté client atténue les effets de la latence du réseau et crée une expérience de jeu plus fluide et plus agréable. Bien que l'implémentation de la prédiction côté client puisse être difficile, les avantages en valent largement la peine. En comprenant les concepts de base, en suivant les meilleures pratiques, et en surveillant et en itérant continuellement sur votre implémentation, vous pouvez créer un jeu multijoueur qui offre une expérience véritablement immersive et réactive aux joueurs du monde entier.