멀티플레이어 네트워킹 마스터하기: 클라이언트 측 예측 심층 분석

빠르게 변화하는 멀티플레이어 게임 개발 세계에서 전 세계 플레이어들에게 끊김 없고 반응성 높은 경험을 제공하는 것은 무엇보다 중요합니다. 특히 네트워크 지연 시간이 존재하는 상황에서 이를 달성하기 위한 핵심 기술 중 하나는 클라이언트 측 예측(client-side prediction)입니다. 이 글에서는 클라이언트 측 예측에 대한 포괄적인 개요를 제공하며, 그 기본 원리, 구현 전략, 그리고 유연하고 매력적인 멀티플레이어 경험을 달성하기 위한 모범 사례를 탐구합니다.

클라이언트 측 예측이란 무엇인가?

클라이언트 측 예측은 멀티플레이어 게임에서 네트워크 지연 시간의 영향을 완화하기 위해 사용되는 기술입니다. 각 클라이언트가 서버로부터 확인을 받기 전에 로컬에서 자신의 행동 결과를 예측하도록 하여 작동합니다. 이는 서버와의 통신에 지연이 있을 때에도 즉각적인 반응성의 환상을 만들어냅니다. 클라이언트 측 예측이 없다면, 플레이어는 자신의 입력과 게임 내 해당 행동 사이에 눈에 띄는 지연을 경험하게 되어 답답하고 플레이할 수 없는 경험으로 이어질 것입니다.

1인칭 슈팅 게임의 플레이어가 "앞으로 이동" 키를 누른다고 상상해 보십시오. 클라이언트 측 예측이 없다면, 플레이어의 캐릭터는 서버가 입력을 받고, 처리하고, 클라이언트로 업데이트를 다시 보낸 후에야 움직이기 시작할 것입니다. 이 지연은 아무리 작더라도 눈에 띄고 거슬릴 것입니다. 클라이언트 측 예측을 사용하면, 클라이언트는 서버의 확인을 예상하며 플레이어의 입력을 기반으로 즉시 캐릭터를 앞으로 움직이기 시작합니다. 서버의 업데이트가 도착하면, 클라이언트는 예측된 상태와 권위 있는 서버 상태 간의 불일치를 조정할 수 있습니다.

클라이언트 측 예측이 왜 중요한가?

클라이언트 측 예측의 중요성은 네트워크 통신의 고유한 한계에서 비롯됩니다. 네트워크를 통해 데이터를 전송하는 데 걸리는 지연 시간인 레이턴시는 피할 수 없습니다. 이 지연은 다음과 같은 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다.

거리: 클라이언트와 서버 사이의 물리적 거리. 서버에서 멀리 떨어진 플레이어는 자연스럽게 더 높은 지연 시간을 경험하게 됩니다. 예를 들어, 도쿄에 있는 플레이어가 뉴욕의 서버에 연결하는 것은 같은 서버에 연결하는 뉴욕의 플레이어보다 훨씬 높은 지연 시간을 가질 것입니다.
네트워크 혼잡: 네트워크상의 트래픽 양. 피크 시간대에는 네트워크 혼잡으로 인해 지연 시간이 증가할 수 있습니다.
네트워크 하드웨어: 라우터 및 스위치와 같은 네트워크 하드웨어의 품질 및 구성.
처리 지연: 서버가 게임 로직을 처리하고 게임 상태를 업데이트하는 데 발생하는 지연.

클라이언트 측 예측과 같은 완화 기술이 없다면, 이러한 지연은 실시간 멀티플레이어 게임을 플레이할 수 없게 만들 것입니다. 클라이언트 측 예측은 다음에 도움을 줍니다.

체감 지연 시간 감소: 플레이어 행동의 결과를 로컬에서 예측함으로써 클라이언트 측 예측은 네트워크 지연 시간의 영향을 가려 게임이 더 반응적으로 느껴지게 만듭니다.
플레이어 반응성 향상: 플레이어는 게임 내 이벤트에 더 빠르고 정확하게 반응할 수 있어 더 매력적이고 경쟁적인 경험으로 이어집니다.
더 부드러운 게임 플레이 경험 생성: 클라이언트 측 예측은 렉의 거슬리는 효과를 줄여 더 유연하고 즐거운 게임 플레이 경험을 제공합니다.

클라이언트 측 예측의 핵심 개념

효과적인 클라이언트 측 예측을 구현하기 위해서는 다음 개념을 이해하는 것이 중요합니다.

1. 클라이언트 권한 대 서버 권한

네트워크 게임에서 서버는 일반적으로 게임 상태에 대한 진실의 권위 있는 소스로 간주됩니다. 이는 서버가 게임 로직을 처리하고, 충돌을 해결하며, 모든 클라이언트가 동기화되도록 보장할 책임이 있음을 의미합니다. 그러나 서버 권한에만 의존하면 심각한 지연 시간 문제가 발생할 수 있습니다. 클라이언트 측 예측은 클라이언트가 자신의 캐릭터 움직임과 같은 게임 상태의 특정 측면에 대해 일시적으로 권한을 가정하여 더 반응성 있는 경험을 제공할 수 있도록 합니다. 서버는 궁극적으로 권위 있는 소스로 남으며, 클라이언트의 예측과 서버의 상태 간의 모든 불일치는 조정되어야 합니다.

2. 게임 상태

게임 상태는 주어진 시점의 게임 세계의 현재 상태를 나타냅니다. 여기에는 모든 게임 객체의 위치, 방향, 속도 및 기타 관련 속성이 포함됩니다. 클라이언트 측 예측은 각 클라이언트에서 게임 상태의 로컬 복사본을 유지하는 것을 포함하며, 이는 플레이어 입력 및 예측된 물리 시뮬레이션을 기반으로 업데이트됩니다. 서버는 또한 권위 있는 게임 상태 복사본을 유지하며, 이는 클라이언트의 로컬 상태의 불일치를 수정하는 데 사용됩니다.

3. 입력 버퍼링

입력 버퍼링은 플레이어 입력을 서버로 보내기 전에 클라이언트에서 로컬로 저장하는 프로세스입니다. 이를 통해 클라이언트는 예측 오류를 수정할 때와 같이 필요한 경우 입력을 다시 재생하고 게임 상태를 다시 시뮬레이션할 수 있습니다. 입력 버퍼는 일반적으로 각 입력이 생성된 시점을 나타내는 타임스탬프와 함께 최근 플레이어 입력의 기록을 저장합니다.

4. 조정(Reconciliation)

조정은 클라이언트의 예측된 게임 상태를 서버로부터 받은 권위 있는 게임 상태와 비교하는 프로세스입니다. 둘 사이에 불일치가 있는 경우, 클라이언트는 서버의 상태와 일치하도록 로컬 상태를 수정해야 합니다. 이 수정 프로세스는 클라이언트의 상태를 서버의 상태로 덮어쓰거나 예측된 상태와 권위 있는 상태 사이를 부드럽게 전환하기 위해 더 정교한 기술을 사용하는 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있습니다.

5. 추측 항법(Dead Reckoning)

추측 항법은 객체의 현재 위치, 속도 및 가속도를 기반으로 미래 위치를 외삽하는 데 사용되는 기술입니다. 이는 서버가 객체의 궤적이 예측 경로에서 크게 벗어날 때만 업데이트를 보내면 되므로 네트워크를 통해 전송해야 하는 데이터 양을 줄일 수 있습니다. 추측 항법은 체감 지연 시간을 더욱 줄이기 위해 클라이언트 측 예측과 함께 자주 사용됩니다.

클라이언트 측 예측 구현하기

클라이언트 측 예측을 구현하려면 게임의 아키텍처, 물리 엔진 및 네트워킹 프로토콜을 신중하게 고려해야 합니다. 다음은 관련된 단계의 일반적인 개요입니다.

1. 플레이어 입력 수집

첫 번째 단계는 클라이언트에서 로컬로 플레이어 입력을 수집하는 것입니다. 이는 키보드, 마우스 및 게임패드와 같은 표준 입력 장치를 사용하여 수행할 수 있습니다. 입력에는 서버와의 정확한 동기화를 보장하기 위해 타임스탬프가 찍혀야 합니다.

2. 플레이어 행동 결과 예측

플레이어 입력이 수집되면 클라이언트는 로컬에서 플레이어 행동의 결과를 예측할 수 있습니다. 이는 일반적으로 클라이언트에서 게임의 물리 엔진을 시뮬레이션하고 그에 따라 게임 상태를 업데이트하는 것을 포함합니다. 클라이언트는 정확한 예측을 보장하기 위해 서버와 동일한 물리 매개변수를 사용해야 합니다.

예를 들어, 플레이어가 "점프" 버튼을 누르면 클라이언트는 즉시 플레이어 캐릭터에 위쪽으로 힘을 가하고 결과 궤적을 시뮬레이션해야 합니다. 이는 서버가 아직 행동을 확인하지 않았음에도 불구하고 즉각적인 반응성의 환상을 만들어냅니다.

3. 플레이어 입력을 서버로 전송

플레이어 행동의 결과를 예측한 후, 클라이언트는 플레이어 입력을 서버로 보내야 합니다. 입력은 지연 시간을 최소화하기 위해 가능한 한 빠르고 안정적으로 전송되어야 합니다. 입력 데이터에는 입력의 타임스탬프뿐만 아니라 입력 힘의 방향 및 크기와 같은 기타 관련 정보도 포함되어야 합니다.

4. 입력 버퍼 유지

클라이언트는 최근 플레이어 입력의 기록을 저장하기 위해 입력 버퍼를 유지해야 합니다. 이 버퍼는 예측 오류를 수정할 때와 같이 필요한 경우 입력을 다시 재생하고 게임 상태를 다시 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 입력 버퍼는 몇 초 분량의 입력 데이터를 저장할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다.

5. 서버로부터 권위 있는 업데이트 수신

서버는 주기적으로 게임 상태의 권위 있는 업데이트를 클라이언트로 보내야 합니다. 이러한 업데이트에는 모든 게임 객체의 위치, 방향, 속도 및 기타 관련 속성이 포함되어야 합니다. 이러한 업데이트의 빈도는 게임의 요구 사항과 사용 가능한 대역폭에 따라 달라집니다.

6. 클라이언트의 예측 상태와 서버 상태 조정

클라이언트가 서버로부터 권위 있는 업데이트를 받으면 예측된 게임 상태를 서버의 상태와 비교해야 합니다. 둘 사이에 불일치가 있는 경우, 클라이언트는 서버의 상태와 일치하도록 로컬 상태를 수정해야 합니다. 이 수정 프로세스는 게임의 요구 사항에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있습니다.

일반적인 접근 방식 중 하나는 클라이언트의 상태를 서버의 상태로 간단히 덮어쓰는 것입니다. 그러나 이는 특히 불일치가 클 경우 거슬리는 시각적 불연속성을 초래할 수 있습니다. 더 정교한 접근 방식은 짧은 기간 동안 예측된 상태와 권위 있는 상태 사이를 부드럽게 전환하는 것입니다. 이는 보간 및 스무딩과 같은 기술을 사용하여 달성할 수 있습니다.

또 다른 중요한 고려 사항은 충돌을 처리하는 방법입니다. 클라이언트가 서버에서는 발생하지 않는 충돌을 예측하거나 그 반대의 경우, 클라이언트는 그에 따라 궤적을 조정해야 합니다. 이는 특히 움직이는 객체가 많은 복잡한 환경에서 어려울 수 있습니다.

고급 기술

위에 설명된 핵심 개념 및 구현 단계 외에도 클라이언트 측 예측의 효과를 더욱 향상시키는 데 사용할 수 있는 몇 가지 고급 기술이 있습니다.

1. 델타 압축

델타 압축은 네트워크를 통해 전송해야 하는 데이터 양을 줄이는 데 사용되는 기술입니다. 매번 전체 게임 상태를 보내는 대신 서버는 현재 상태와 이전 상태 간의 차이(또는 델타)만 보냅니다. 이는 특히 움직이는 객체가 많은 게임에서 대역폭 요구 사항을 크게 줄일 수 있습니다.

2. 관심 관리

관심 관리는 각 클라이언트가 처리해야 하는 데이터 양을 줄이는 데 사용되는 기술입니다. 각 클라이언트에게는 "관심 영역" 내에 있는 게임 객체에 대한 업데이트만 전송됩니다. 이 영역은 일반적으로 클라이언트의 시야 또는 주변 영역에 해당합니다. 관심 관리는 특히 대규모 오픈 월드 게임에서 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

3. 렉 보정

렉 보정은 플레이어 입력을 처리할 때 지연 시간의 영향을 보상하는 데 사용되는 기술입니다. 플레이어가 무기를 발사할 때 서버는 총알이 목표물에 맞았는지 여부를 결정해야 합니다. 그러나 지연 시간으로 인해 플레이어가 총을 발사한 시점의 위치는 현재 위치와 다를 수 있습니다. 렉 보정은 서버가 총알이 목표물에 맞았는지 정확하게 결정할 수 있도록 게임 상태를 총이 발사된 시간으로 되돌리려고 시도합니다. 정확성과 성능 측면에서 각기 다른 장단점을 가진 다양한 렉 보정 기술이 있습니다.

4. 서브-틱 시뮬레이션

서브-틱 시뮬레이션은 네트워크 업데이트 속도보다 높은 빈도로 게임의 물리 엔진을 실행하는 것을 포함합니다. 이는 특히 빠르게 움직이는 객체나 복잡한 물리 상호 작용이 있는 게임에서 클라이언트 측 예측의 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 네트워크 업데이트 속도가 30Hz인 경우 물리 엔진은 60Hz 또는 그 이상으로 실행될 수 있습니다. 이를 통해 클라이언트는 네트워크 업데이트 사이에 플레이어 행동의 결과를 더 정확하게 예측할 수 있습니다.

일반적인 문제점 및 해결책

클라이언트 측 예측을 구현하는 것은 어려울 수 있으며, 피해야 할 몇 가지 일반적인 함정이 있습니다.

1. 예측 오류

클라이언트의 로컬 시뮬레이션이 서버의 권위 있는 상태와 완벽하게 동기화되지 않기 때문에 예측 오류는 불가피합니다. 핵심은 이러한 오류를 최소화하고 우아하게 처리하는 것입니다. 이는 정확한 물리 모델을 사용하고, 네트워크 지연 시간을 최소화하며, 강력한 조정 기술을 구현함으로써 달성할 수 있습니다.

해결책: 수정의 시각적 영향을 최소화하기 위해 스무딩 기술을 구현합니다. 잘 조정된 물리 엔진을 사용하고 클라이언트와 서버가 동일한 물리 매개변수를 사용하도록 합니다.

2. 충돌 처리

네트워크 환경에서 충돌을 올바르게 처리하는 것은 어려울 수 있습니다. 클라이언트와 서버가 게임 세계에 대해 다른 시각을 가질 수 있기 때문입니다. 이로 인해 클라이언트가 서버에서는 발생하지 않는 충돌을 예측하거나 그 반대의 상황이 발생할 수 있습니다. 부정확한 충돌 처리는 플레이어가 벽을 통과하거나 환경에 끼이는 결과를 초래할 수 있습니다.

해결책: 클라이언트와 서버 모두에서 일관된 충돌 감지 시스템을 사용합니다. 클라이언트의 예측된 충돌과 서버의 권위 있는 충돌 간의 불일치를 수정하기 위해 충돌 조정을 구현합니다.

3. 치팅

클라이언트 측 예측은 플레이어가 로컬 게임 상태를 더 많이 제어할 수 있으므로 치팅을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 플레이어가 시스템을 악용하는 것을 방지하기 위해 안티-치트 조치를 구현하는 것이 중요합니다.

해결책: 플레이어 행동에 대한 서버 측 유효성 검사를 수행합니다. 일반적인 치팅 기술을 탐지하고 방지하기 위해 안티-치트 시스템을 구현합니다. 치터들보다 앞서 나가기 위해 안티-치트 시스템을 정기적으로 업데이트합니다.

클라이언트 측 예측을 위한 모범 사례

클라이언트 측 예측 구현의 성공을 보장하기 위해 다음 모범 사례를 고려하십시오.

정확성 우선: 예측 오류를 줄이기 위해 정확한 물리 모델을 사용하고 네트워크 지연 시간을 최소화하십시오.
강력한 조정 구현: 클라이언트의 예측 상태와 서버 상태 간의 불일치를 수정하기 위해 강력한 조정 기술을 개발하십시오.
성능 최적화: 클라이언트 측 예측이 성능에 부정적인 영향을 미치지 않도록 코드를 최적화하십시오.
철저한 테스트: 다양한 네트워크 조건에서 구현을 철저히 테스트하여 문제를 식별하고 수정하십시오.
모니터링 및 반복: 게임의 성능과 플레이어 피드백을 모니터링하여 개선할 부분을 파악하십시오.

클라이언트 측 예측의 미래

네트워크 기술이 계속 발전함에 따라 클라이언트 측 예측은 반응성 있고 매력적인 멀티플레이어 경험을 만드는 데 중요한 기술로 남을 것입니다. 5G 및 엣지 컴퓨팅과 같은 네트워크 인프라의 미래 발전은 훨씬 더 정교한 클라이언트 측 예측 기술을 가능하게 할 것입니다. 우리는 플레이어 행동을 예측하기 위한 더 발전된 알고리즘, 클라이언트 상태와 서버 상태를 조정하기 위한 더 효율적인 방법, 그리고 플레이어의 시스템 악용을 방지하기 위한 더 강력한 안티-치트 조치를 기대할 수 있습니다.

결론

클라이언트 측 예측은 반응성 있고 매력적인 멀티플레이어 게임을 개발하기 위한 필수 기술입니다. 클라이언트가 로컬에서 자신의 행동 결과를 예측하도록 함으로써, 클라이언트 측 예측은 네트워크 지연 시간의 영향을 완화하고 더 부드럽고 즐거운 게임 플레이 경험을 만듭니다. 클라이언트 측 예측을 구현하는 것은 어려울 수 있지만, 그 이점은 노력할 가치가 충분합니다. 핵심 개념을 이해하고, 모범 사례를 따르며, 구현을 지속적으로 모니터링하고 반복함으로써 전 세계 플레이어에게 진정으로 몰입감 있고 반응성 있는 경험을 제공하는 멀티플레이어 게임을 만들 수 있습니다.

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