マルチプレイヤーネットワーキングの習得：クライアントサイド予測の詳細解説

ペースの速いマルチプレイヤーゲーム開発の世界では、世界中のプレイヤーにシームレスで応答性の高い体験を提供することが最も重要です。これを達成するための主要な技術の一つ、特にネットワーク遅延が存在する場合に有効なのがクライアントサイド予測です。この記事では、クライアントサイド予測の包括的な概要を提供し、その基本原則、実装戦略、そして流動的で魅力的なマルチプレイヤー体験を実現するためのベストプラクティスを探ります。

クライアントサイド予測とは何か？

クライアントサイド予測は、マルチプレイヤーゲームでネットワーク遅延の影響を軽減するために使用される技術です。これは、各クライアントがサーバーからの確認を受け取る前に、ローカルで自身のアクションの結果を予測することを可能にすることで機能します。これにより、サーバーとの通信に遅延がある場合でも、即座に応答しているかのような錯覚を生み出します。クライアントサイド予測がなければ、プレイヤーは入力とそのゲーム内での対応するアクションとの間に顕著なラグを経験し、フラストレーションのたまるプレイ不可能な体験につながるでしょう。

一人称視点シューティングゲームでプレイヤーが「前進」キーを押す場面を想像してみてください。クライアントサイド予測がなければ、プレイヤーのキャラクターは、サーバーが入力を受け取り、それを処理し、クライアントに更新情報を送り返した後にのみ動き始めます。この遅延は、どんなに小さくても、目立ち、不快なものになります。クライアントサイド予測を使用すると、クライアントはプレイヤーの入力に基づいて即座にキャラクターを前進させ始め、サーバーの確認を予測します。サーバーの更新が到着すると、クライアントは予測された状態と権威的なサーバーの状態との間の不一致を調整（リコンサイル）することができます。

なぜクライアントサイド予測は重要なのか？

クライアントサイド予測の重要性は、ネットワーク通信に固有の制限に起因します。ネットワークを介してデータを送信する際の遅延であるレイテンシは避けられません。この遅延は、以下のような様々な要因によって引き起こされる可能性があります。

• 距離：クライアントとサーバー間の物理的な距離。サーバーから遠く離れた場所にいるプレイヤーは、当然ながら高いレイテンシを経験します。例えば、東京のプレイヤーがニューヨークのサーバーに接続する場合、ニューヨークのプレイヤーが同じサーバーに接続するよりも大幅に高いレイテンシが発生します。
• ネットワークの混雑：ネットワーク上のトラフィック量。ピーク時には、ネットワークの混雑がレイテンシを増加させる可能性があります。
• ネットワークハードウェア：ルーターやスイッチなどのネットワークハードウェアの品質と設定。
• 処理遅延：サーバーがゲームロジックを処理し、ゲームステートを更新する際に発生する遅延。

クライアントサイド予測のような緩和技術がなければ、これらの遅延はリアルタイムのマルチプレイヤーゲームをプレイ不可能にしてしまいます。クライアントサイド予測は、以下の点で役立ちます。

• 知覚されるレイテンシの削減：プレイヤーのアクションの結果をローカルで予測することにより、クライアントサイド予測はネットワーク遅延の影響を覆い隠し、ゲームの応答性を向上させます。
• プレイヤーの応答性の向上：プレイヤーはゲーム内のイベントにより迅速かつ正確に反応できるようになり、より魅力的で競争力のある体験につながります。
• よりスムーズなゲームプレイ体験の創出：クライアントサイド予測はラグの不快な影響を軽減し、より流動的で楽しいゲームプレイ体験をもたらします。

クライアントサイド予測のコアコンセプト

効果的なクライアントサイド予測を実装するためには、以下の概念を理解することが不可欠です。

1. クライアント権威 vs. サーバー権威

ネットワークゲームでは、通常、サーバーがゲームステートの権威的な真の情報源と見なされます。これは、サーバーがゲームロジックの処理、競合の解決、およびすべてのクライアントの同期を保証する責任があることを意味します。しかし、サーバー権威のみに依存すると、重大なレイテンシの問題につながる可能性があります。クライアントサイド予測は、クライアントが自身のキャラクターの移動など、ゲームステートの特定の側面に対して一時的に権威を持つことを許可し、より応答性の高い体験を提供します。最終的にはサーバーが権威的な情報源であり続け、クライアントの予測とサーバーの状態との間の不一致はすべて調整されなければなりません。

2. ゲームステート

ゲームステートは、特定の時点におけるゲーム世界の現在の状態を表します。これには、すべてのゲームオブジェクトの位置、向き、速度、およびその他の関連プロパティが含まれます。クライアントサイド予測では、各クライアント上でゲームステートのローカルコピーを維持し、プレイヤーの入力と予測された物理シミュレーションに基づいて更新します。サーバーもまた、権威的なゲームステートのコピーを維持し、クライアントのローカルステートの不一致を修正するために使用されます。

3. 入力バッファリング

入力バッファリングは、サーバーに送信する前にプレイヤーの入力をクライアント上でローカルに保存するプロセスです。これにより、クライアントは予測のエラーを修正する場合など、必要に応じて入力を再生し、ゲームステートを再シミュレーションすることができます。入力バッファは通常、各入力が生成された時刻を示すタイムスタンプとともに、最近のプレイヤー入力の履歴を保存します。

4. リコンシリエーション（調整）

リコンシリエーションは、クライアントの予測されたゲームステートを、サーバーから受信した権威的なゲームステートと比較するプロセスです。両者に不一致がある場合、クライアントはサーバーの状態に合わせてローカルの状態を修正しなければなりません。この修正プロセスは、クライアントの状態をサーバーの状態で単純に上書きするか、予測された状態と権威的な状態の間をスムーズに移行するためのより洗練された技術を使用することができます。

5. デッドレコニング

デッドレコニングは、オブジェクトの現在の位置、速度、加速度に基づいて将来の位置を外挿するために使用される技術です。これにより、サーバーはオブジェクトの軌道が予測されたパスから大幅に逸脱した場合にのみ更新を送信すればよいため、ネットワークを介して送信する必要があるデータ量を削減できます。デッドレコニングは、知覚されるレイテンシをさらに削減するために、クライアントサイド予測と組み合わせて使用されることがよくあります。

クライアントサイド予測の実装

クライアントサイド予測を実装するには、ゲームのアーキテクチャ、物理エンジン、およびネットワーキングプロトコルを慎重に検討する必要があります。以下に、関連する手順の一般的な概要を示します。

1. プレイヤー入力の収集

最初のステップは、クライアント上でローカルにプレイヤーの入力を収集することです。これは、キーボード、マウス、ゲームパッドなどの標準的な入力デバイスを使用して行うことができます。入力には、サーバーとの正確な同期を保証するためにタイムスタンプを付ける必要があります。

2. プレイヤーのアクションの結果を予測する

プレイヤーの入力が収集されたら、クライアントはローカルでプレイヤーのアクションの結果を予測できます。これには通常、クライアント上でゲームの物理エンジンをシミュレートし、それに応じてゲームステートを更新することが含まれます。クライアントは、正確な予測を保証するためにサーバーと同じ物理パラメータを使用する必要があります。

たとえば、プレイヤーが「ジャンプ」ボタンを押した場合、クライアントは即座にプレイヤーのキャラクターに上向きの力を加え、結果として生じる軌道をシミュレートする必要があります。これにより、サーバーがまだアクションを確認していなくても、即座に応答しているかのような錯覚が生まれます。

3. プレイヤーの入力をサーバーに送信する

プレイヤーのアクションの結果を予測した後、クライアントはプレイヤーの入力をサーバーに送信する必要があります。入力は、レイテンシを最小限に抑えるために、できるだけ迅速かつ確実に送信する必要があります。入力データには、入力のタイムスタンプ、および入力力の方向や大きさなどのその他の関連情報を含める必要があります。

4. 入力バッファを維持する

クライアントは、最近のプレイヤー入力の履歴を保存するために入力バッファを維持する必要があります。このバッファは、予測のエラーを修正する場合など、必要に応じて入力を再生し、ゲームステートを再シミュレートするために使用されます。入力バッファは、数秒分の入力データを保存するのに十分な大きさでなければなりません。

5. サーバーから権威的な更新を受信する

サーバーは、定期的にゲームステートの権威的な更新をクライアントに送信する必要があります。これらの更新には、すべてのゲームオブジェクトの位置、向き、速度、およびその他の関連プロパティが含まれている必要があります。これらの更新の頻度は、ゲームの要件と利用可能な帯域幅によって異なります。

6. クライアントの予測状態とサーバーの状態を調整（リコンサイル）する

クライアントがサーバーから権威的な更新を受信すると、予測されたゲームステートとサーバーの状態を比較する必要があります。両者に不一致がある場合、クライアントはサーバーの状態に合わせてローカルの状態を修正しなければなりません。この修正プロセスは、ゲームの要件に応じて様々な方法で実装できます。

一般的なアプローチの1つは、クライアントの状態をサーバーの状態で単純に上書きすることです。しかし、これは特に不一致が大きい場合に、不快な視覚的な不連続性を引き起こす可能性があります。より洗練されたアプローチは、予測された状態と権威的な状態の間を短時間でスムーズに移行させることです。これは、補間やスムージングなどの技術を使用して実現できます。

もう一つの重要な考慮事項は、衝突の処理方法です。クライアントがサーバーで発生しない衝突を予測した場合、またはその逆の場合、クライアントはそれに応じて軌道を調整する必要があります。これは、特に多くの動くオブジェクトがある複雑な環境では困難な場合があります。

高度なテクニック

上記のコアコンセプトと実装手順に加えて、クライアントサイド予測の有効性をさらに向上させるために使用できるいくつかの高度なテクニックがあります。

1. 差分圧縮

差分圧縮は、ネットワークを介して送信する必要があるデータ量を削減するために使用される技術です。毎回ゲームステート全体を送信する代わりに、サーバーは現在の状態と以前の状態との差分（またはデルタ）のみを送信します。これにより、特に多くの動くオブジェクトがあるゲームで、帯域幅の要件を大幅に削減できます。

2. インタレストマネジメント

インタレストマネジメントは、各クライアントが処理する必要のあるデータ量を削減するために使用される技術です。各クライアントには、その「関心領域」内にあるゲームオブジェクトの更新のみが送信されます。この領域は通常、クライアントの視野または周辺領域に対応します。インタレストマネジメントは、特に大規模なオープンワールドゲームでパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

3. ラグ補償

ラグ補償は、プレイヤーの入力を処理する際にレイテンシの影響を補償するために使用される技術です。プレイヤーが武器を発射すると、サーバーはその弾がターゲットに命中したかどうかを判断する必要があります。しかし、レイテンシのために、プレイヤーが弾を発射した時点での位置は、現在の位置とは異なる場合があります。ラグ補償は、サーバーが弾がターゲットに命中したかどうかを正確に判断できるように、ゲームステートを弾が発射された時点まで巻き戻そうと試みます。様々なラグ補償技術があり、それぞれ精度とパフォーマンスの面でトレードオフがあります。

4. サブティックシミュレーション

サブティックシミュレーションは、ネットワークの更新レートよりも高い頻度でゲームの物理エンジンを実行することを含みます。これにより、特に動きの速いオブジェクトや複雑な物理的相互作用を持つゲームで、クライアントサイド予測の精度を向上させることができます。たとえば、ネットワークの更新レートが30 Hzの場合、物理エンジンは60 Hz以上で実行される可能性があります。これにより、クライアントはネットワーク更新の合間にプレイヤーのアクションの結果をより正確に予測できます。

一般的な課題と解決策

クライアントサイド予測の実装は困難な場合があり、避けるべきいくつかの一般的な落とし穴があります。

1. 予測エラー

クライアントのローカルシミュレーションはサーバーの権威的な状態と完全に同期することはないため、予測エラーは避けられません。重要なのは、これらのエラーを最小限に抑え、それらを適切に処理することです。これは、正確な物理モデルを使用し、ネットワーク遅延を最小限に抑え、堅牢なリコンシリエーション技術を実装することで実現できます。

解決策：修正の視覚的な影響を最小限に抑えるために、スムージング技術を実装します。適切に調整された物理エンジンを使用し、クライアントとサーバーが同じ物理パラメータを使用していることを確認します。

2. 衝突処理

ネットワーク化された環境で衝突を正しく処理することは難しい場合があります。なぜなら、クライアントとサーバーがゲーム世界について異なる見方をしている可能性があるためです。これにより、クライアントがサーバーで発生しない衝突を予測する状況や、その逆の状況が発生する可能性があります。不正確な衝突処理は、プレイヤーが壁を突き抜けたり、環境にスタックしたりする原因となります。

解決策：クライアントとサーバーの両方で一貫した衝突検出システムを使用します。クライアントの予測された衝突とサーバーの権威的な衝突との間の不一致を修正するために、衝突リコンシリエーションを実装します。

3. チート行為

クライアントサイド予測は、プレイヤーがローカルのゲームステートをより詳細に制御できるため、チート行為を容易にする可能性があります。プレイヤーがシステムを悪用するのを防ぐために、アンチチート対策を実装することが重要です。

解決策：プレイヤーのアクションのサーバーサイド検証を実行します。一般的なチート技術を検出して防止するためのアンチチートシステムを実装します。チーターに先んじるために、アンチチートシステムを定期的に更新します。

人気ゲームでの例

多くの人気マルチプレイヤーゲームは、応答性が高く魅力的な体験を提供するためにクライアントサイド予測を利用しています。以下にいくつかの例を挙げます。

• Counter-Strike: Global Offensive (CS:GO): CS:GOは、世界中のプレイヤーベースで様々なネットワーク状況下でも、競争力のある応答性の高い体験を提供するために、クライアントサイド予測とラグ補償に大きく依存している一人称視点シューティングゲームです。このゲームは、プレイヤーの動きや武器の発砲を予測するための洗練された技術を使用し、知覚されるラグを最小限に抑え、ヒット登録が正確に感じられるようにしています。
• フォートナイト: フォートナイトは、ゲームプレイの中心である複雑な移動と建築メカニクスを処理するためにクライアントサイド予測を採用しています。このゲームは、プレイヤーの動きと建築物の配置をローカルで予測し、プレイヤーが迅速に反応してリアルタイムで構造物を作成できるようにします。その後、サーバーはこれらのアクションを検証し、不一致を調整して、ゲームステートの一貫性を保ちます。
• オーバーウォッチ: オーバーウォッチは、ペースの速いアクションと多様なヒーローの能力を処理するためにクライアントサイド予測を使用しています。このゲームは、プレイヤーの動き、アビリティの使用、および投射物の軌道を予測し、知覚されるラグを最小限に抑え、プレイヤーが敵のアクションに迅速に反応できるようにします。その後、サーバーはこれらのアクションを検証し、不一致を調整して、すべてのクライアントでゲームステートの一貫性を保ちます。

クライアントサイド予測のベストプラクティス

クライアントサイド予測の実装を成功させるために、以下のベストプラクティスを考慮してください。

• 精度を優先する：正確な物理モデルを使用し、ネットワーク遅延を最小限に抑えて予測エラーを減らします。
• 堅牢なリコンシリエーションを実装する：クライアントの予測状態とサーバーの状態との間の不一致を修正するための堅牢なリコンシリエーション技術を開発します。
• パフォーマンスを最適化する：クライアントサイド予測がパフォーマンスに悪影響を与えないようにコードを最適化します。
• 徹底的にテストする：様々なネットワーク条件下で実装を徹底的にテストし、問題を特定して修正します。
• 監視と反復：ゲームのパフォーマンスとプレイヤーのフィードバックを監視し、改善の余地がある領域を特定します。

クライアントサイド予測の未来

ネットワーク技術が進化し続けるにつれて、クライアントサイド予測は、応答性が高く魅力的なマルチプレイヤー体験を創造するための重要な技術であり続けるでしょう。5Gやエッジコンピューティングなどのネットワークインフラの将来の進歩は、さらに洗練されたクライアントサイド予測技術を可能にするでしょう。プレイヤーの行動を予測するためのより高度なアルゴリズム、クライアントの状態をサーバーの状態と調整するためのより効率的な方法、そしてプレイヤーがシステムを悪用するのを防ぐためのより堅牢なアンチチート対策が期待できます。

結論

クライアントサイド予測は、応答性が高く魅力的なマルチプレイヤーゲームを開発するための不可欠な技術です。クライアントがローカルで自身のアクションの結果を予測できるようにすることで、クライアントサイド予測はネットワーク遅延の影響を緩和し、よりスムーズで楽しいゲームプレイ体験を生み出します。クライアントサイド予測の実装は困難な場合がありますが、その利点は努力に見合う価値があります。コアコンセプトを理解し、ベストプラクティスに従い、実装を継続的に監視・反復することで、世界中のプレイヤーに真に没入感のある応答性の高い体験を提供するマルチプレイヤーゲームを作成することができます。