Архитектура сервера онлайн-игры на примере Skyforge
Привет, Хабр! Я Андрей Фролов, ведущий программист, работаю в Mail.Ru над Next-Gen MMORPG Skyforge. Вы могли читать мою статью про архитектуру баз данных в онлайн-играх. Сегодня я буду раскрывать секреты, касающиеся устройства сервера Skyforge. Постараюсь рассказать максимально подробно, с примерами, а также объясню, почему было принято то или иное архитектурное решение. По нашему серверу без преувеличения можно написать целую книгу, поэтому для того, чтобы уложиться в статью, мне придется пройтись только по основным моментам.
Обзор Сервер — это почти два миллиона строк кода на Java. Для соединения с сервером и отображения красивой картинки используется клиент, написанный на C++. Свой вклад в серверный код внесли полсотни программистов. Код писался в течение многих лет лучшими специалистами российского «православного» геймдева. В нем собраны все самые удачные идеи со всего мира. На текущий момент у нас написано около 5200 автоматических тестов, налажен continuous integration и нагрузочное тестирование с помощью ботов. Сервер умеет запускаться и работать на десятках и сотнях серверов, поддерживать игру сотен тысяч человек одновременно. Мы решили отказаться от традиционной для MMO техники шардирования и запустить всех игроков в один большой мир. Первое и главное правило разработки сервера: клиент в руках врага. Клиент защищен, но чисто теоретически и его могут хакнуть, могут расшифровать клиент-серверный протокол. Взлом клиента может привести к обходу игровых правил, читам, ботоводству и т.п. Такие вещи разрушают игру для всех. Чтобы этого не произошло, мы должны эмулировать весь игровой мир со всеми игровыми правилами у себя на сервере, а клиент использовать только для отображения красивой картинки. Кроме того, клиент надо проверять на взлом, отслеживая подозрительное поведение и т.д.
Сервисная архитектура
Одна из основных особенностей разработки состоит в том, что мы не знаем, сколько у нас будет игроков. Может быть, всего один — сам разработчик, а может, 100000 одновременно. Поэтому сервер должен уметь запускаться в маленькой конфигурации, на ноутбуке, и растягиваться при необходимости на десятки и сотни мощных серверов.Вторая особенность состоит в том, что при старте разработки мы понятия не имели, о чем будет наша игра, какие в ней будут особенности, сервисы и т.п. Структура сервера должна быть максимально гибкой в плане добавления новых сервисов и фич.
Третья большая проблема — это многопоточность. Как известно, лучший способ сладить с многопоточностью — это избежать ее. Deadlock, livelock, lock contention и другие милые сердцу программиста проблемы можно обойти, если архитектура сервера будет избавлять вас от необходимости синхронизировать потоки вручную. В идеале программист вообще должен писать простой однопоточный код и не задумываться о такого рода вещах.
Отсюда родилась наша универсальная структура сервера, которая используется в Skyforge:
Существует пул физических серверов, на которых будет запускаться игра. Этот набор серверов и наше серверное приложение, которое на них запущено, называется Realm.
На каждом сервере запускается серверное приложение (JVM), называемое ролью. Роли бывают разные: аккаунт-сервер, игровая механика, чат и т.д. Каждая роль берет на себя большой кусок функционала. Некоторые роли существуют в единственном числе, некоторые запускаются в нескольких экземплярах.
Роль состоит из набора сервисов. Сервис — это обычный поток (thread), который занимается своей, специфичной для него задачей. Примером сервиса может служить сервис авторизации, сервис резервирования имен, балансировщик нагрузки и т.п. Каждый сервис ничего не знает о физическом расположении других сервисов. Они могут быть рядом, а могут быть на другой физической машине. Сервисы взаимодействуют через систему сообщений, которая скрывает от них такого рода подробности.
Каждый сервис состоит из набора модулей. Модуль — это «кусок функциональности», у которого есть один метод tick (). Примером модуля может быть модуль статистики, модуль исполнения транзакций, модуль синхронизации времени. Вся работа сервиса заключается в том, чтобы в бесконечном цикле поочередно вызывать метод tick () у своих модулей. Один такой цикл называется «кадр сервера». Мы считаем показатель хорошим, если кадр сервера колеблется в пределах от 3 до 20 мс.
Вся эта структура описывается в XML-файлах. Системе запуска надо просто «скормить» название роли. Она найдет соответствующий файл, запустит все нужные сервисы и отдаст им списки модулей. Сами модули создадутся с помощью java reflection.
Таким образом, мы можем запустить роль «локальный сервер», где будет все необходимое, а можем разбить сервер на несколько десятков ролей — аккаунт-сервер, итем-сервер, игровая механика и т.д. — и запускать его на десятках разных физических серверов. Структура оказалась чрезвычайно гибкой и удобной, советую серьезно к ней присмотреться.
Основные сервисы
Есть некоторый набор сервисов, который несет основную игровую нагрузку. Каждый из серверов должен уметь масштабироваться. В идеале — до бесконечности. К сожалению, писать серверы так, чтобы они масштабировались, это непростая задача. Поэтому мы начали с того, что сделали основные сервисы масштабируемыми, а всякую дополнительную мелочь, которая не несет основной нагрузки, оставили на потом. Если у нас будет очень много пользователей, то и их нам придется улучшать для обеспечения возможности масштабирования.Аккаунт-сервис. Отвечает за авторизацию и подключение новых клиентов.
Сервер игровой механики. Тут происходит, собственно, сама игра. После прохождения авторизации клиент подключается сюда и тут играет. С другими сервисами клиент напрямую не взаимодействует. Таких сервисов можно и нужно запускать несколько десятков, а то и сотен. Именно эти сервисы несут основную нагрузку.
Сервисы баз данных. Эти сервисы выполняют операции над данными игровых персонажей, их предметами, деньгами, прогрессом развития. Их обычно запускается несколько штук. Подробнее об архитектуре баз данных можно прочитать в моем прошлом докладе. (habrahabr.ru/company/mailru/blog/182088/)
Чат. Занимается роутингом сообщений чата между пользователями.
Все остальные сервисы. Их несколько десятков, и они обычно не создают сильной нагрузки, поэтому не требуют обособленных серверов.
Сеть
Под словом «сеть» я подразумеваю систему доставки сообщений от одного сервиса к другому или от одного объекта к другому. Исторически так сложилось, что у нас существует сразу две такие системы. Одна основана на сообщениях. Вторая система основана на удаленном вызове процедур (RPC). В Skyforge система сообщений применяется внутри сервиса игровой механики, чтобы послать какое-то сообщение от аватара к мобу, а также для общения клиента и сервера. RPC используется для общения между сервисами.
Сообщения
Все объекты, которые хотят посылать или принимать сообщения, называются абонентами. Каждый абонент регистрируется в общей директории и получает уникальный идентификатор — адрес. Любой, кто хочет послать сообщение какому-либо абоненту, должен указать адреса «откуда» и «куда». Сетевой движок знает, где находится абонент, и доставляет ему сообщение. Сообщение — это Java-объект, у которого есть метод run (). При отправке этот объект сериализуется, прилетает к целевому абоненту, там десериализуется, а затем вызывается метод run () над целевым абонентом.
Такой подход очень удобен тем, что позволяет реализовывать простые команды типа «нанести удар», «выдать анлок», «запустить фаербол». Вся эта логика оказывается внешней по отношению к объекту, над которым выполняется действие. Большой минус этого подхода в том, что если логика команды требует выполнения какого-либо кода на нескольких абонентах, то нам потребуется сделать несколько сообщений, которые будут посылать друг друга по цепочке. Логика оказывается фрагментирована на несколько классов, и цепочки сообщений часто довольно долго и сложно распутывать.
RPC
Удаленный вызов процедур или RPC появился, чтобы решить проблему цепочек сообщений.Основная идея заключается в использовании кооперативной многозадачности (Coroutine, Fibers). Тому, кто не знаком с это концепцией, для понимания темы советую заглянуть в «Википедию». en.wikipedia.org/wiki/Coroutine.Сервис, который хочет, чтобы его могли вызывать через удаленный вызов процедур, должен реализовывать специальный интерфейс и зарегистрировать в специальной директории. Тогда любой желающий может попросить директорию дать ему интерфейс этого сервиса, и директория вернет специальный враппер над сервисом. Вызывать сервисы по RPC можно только внутри файбера (coroutin), т.е. специального контекста исполнения, который можно прерывать и возобновлять в точках разрыва. При вызове методов враппера он будет посылать RPC вызовы на удаленный сервис, прерывать текущий файбер в ожидании ответа и возвращать результат, когда удаленный сервер ответит.
Таким образом, мы концентрируем логику в одном методе, а не размазываем ее по сотням сообщений. Код сильно упрощается, его можно писать в терминах вызова функций каких-то объектов, а не в терминах посылки сообщений. Но возникают проблемы с неким подобием многопоточности, т.к. после того, как мы вернулись из удаленного вызова, окружение уже могло измениться. В целом такой подход очень удобен, когда у сервиса есть ограниченный интерфейс из десятка методов. Когда методов становится много, интерфейс лучше разбивать на несколько.
Подробнее о нашей имплементации файберов можно узнать из лекции Сергея Загурского (www.youtube.com/watch? v=YWLHELcvNbE).
Сериализация Чтобы у нас работала система посылки сообщений и удаленный вызов процедур, нам нужен клиент-серверный протокол и способ сериализации/десериализации объектов. Напомню, что у нас есть необходимость пересылать команды и данные с клиента на сервер, т.е. из C++ в Java и обратно. Для этого мы по Java-классам генерируем их копии в C++, а также генерируем методы для сериализации и десериализации объектов в байтовый поток. Код для сериализации встраивается прямо внутрь классов и обращается к полям класса напрямую. Таким образом, сервер не тратит процессорное время на обход классов с помощью reflection. Все это мы генерируем с помощью самописного плагина для IntelliJ IDEA. Внутрисерверный протокол для общения между сервисами полностью аналогичен клиент-серверному протоколу.При сериализации какого-либо класса в байтовый поток, сначала пишется id класса, потом данные полей этого класса. На другой стороне считывается id, выбирается соответствующий класс и у него вызывается специальный конструктор, который восстанавливает класс из байтового потока.
Игровая механика
Основной сервис, который был бы вам интересен, это сервис игровой механики. Именно там выполняется весь код, непосредственно связанный с игрой, именно там моделируется весь игровой мир, летают фаерболы и «грабятся корованы».Карты и балансировка нагрузки
На серверах игровой механики создаются карты, на которых, собственно, находятся игроки, мобы и происходит все веселье. У каждой карты есть лимит на количество игроков, которые могут на ней находиться. Например, лимит может быть равен единице для персональных приключений, 10–30 для групповых активностей и 250 для больших карт. Что происходит, если на карту захочет попасть еще один игрок, когда лимит исчерпан? Тогда будет создана еще одна копия той же самой карты. Игроки с этих карт не будут видеть друг друга, не будут друг другу мешать. Т.е. в каком-нибудь игровом городе могут быть тысячи человек, но там не будет тесно. Такой способ организации игроков называется «каналы».За создание карт отвечает центральный сервис «балансировщик карт», который распределяет карты по сервисам игровой механики в зависимости от популяции, нагрузки и других магических причин, стараясь поддерживать равномерное распределение нагрузки и нормальную плотность играющих, чтобы им не было скучно.
На каждом сервере игровой механики загружена информация о карте проходимостей, коллизиях и других подобных вещах. Когда игрок или моб пытается двинуться в какую-либо точку, то сервер просчитывает, может ли игрок туда попасть, не пытается ли он считерить и пройти сквозь стену. Когда игрок пытается кинуть во врага фаербол, то по этой же информации сервер рассчитывает, видит ли игрок врага и нет ли на его пути препятствий.
Аватары и мобы
Аватар — это персонаж, которым управляет игрок, моб — это монстр, которого игрок убивает. Это весьма разные, но часто очень похожие сущности. И моб, и аватар умеют ходить по карте, у них есть здоровье, они могут использовать заклинания и т.п. Только аватаром управляет игрок, а у моба есть свой мозг. Кроме того, на картах есть множество всяких сундуков, растений и других интерактивных сущностей. Очень часто нужно делать некую функциональность и цеплять ее к разным сущностям. Для этих целей мы используем компонентный подход, собирая игровую сущность из набора функциональностей. Поясню на примере. Допустим, у игрока и моба есть показатель здоровья. В таком случае мы оформляем элемент «здоровье» как отдельный Java-класс, в котором описываем, как здоровье себя ведет: как оно может уменьшаться, как восстанавливаться, какие есть таймеры и т.п. Потом мы просто складываем все функциональности в специальную HashMap внутри сущности и берем ее оттуда по необходимости. Таких компонент у нас существуют сотни, на них собрана половина игровой механики.Так как серверное приложение очень сложное, неизбежно возникновение ошибок. Нужно сделать так, чтобы возникновение ошибки, даже необработанного NullPointerException, не приводило к падению сервера. Можно ошибку просто залогировать и пойти дальше, но если ошибка возникнет посреди какого-то длинного действия над аватаром, то аватар может оказаться в сломанном и неконсистентном состоянии. Тут нам на помощь приходит концепция под названием «локаль». Локаль — это контекст, внутри которого объекты могут ссылаться друг на друга. Объекты из одной локали не могут ссылаться на объекты из другой. Если из локали вылетает необработанное исключение, то локаль удаляется целиком. Аватары, мобы и другие сущности являются локалями, удаляются целиком и не могут держать ссылок на других аватаров и мобов. Поэтому все взаимодействие между аватарами и мобами идет через систему сообщений, хотя они находятся вместе на одной машине и в теории могли бы держать друг на друга прямую ссылку.
Репликация
Моделировать игровой мир нужно не только на сервере, но и частично на клиенте. Например, клиенту нужно видеть других игроков и мобов, которые находятся рядом с ним. Для этого используется механизм клиент-серверной репликации, когда с сервера клиентам рассылаются обновления окружающего игрового мира. Делается это с помощью генератора кода, который встраивает отсылку обновлений в сеттеры серверных Java-объектов. Вокруг игрока создается круг определенного радиуса, и если кто-то, например другой аватар, попадает в этот круг, он начинает реплицироваться на клиент. С репликацией есть фундаментальная проблема. Если в одном месте столпится N аватаров, то на каждого из них нужно будет посылать N реплик. Таким образом возникает квадратичная зависимость, что ограничивает количество аватаров, которые могут собраться в одном месте. Именно из-за этой фундаментальной квадратичности клиенты всех ММО тормозят в столицах. Мы избегаем этой проблемы, ограничивая количество игроков на карте и распределяя их по каналам.Ресурсная система
В игре существуют сотни и тысячи заклинаний, предметов, квестов и других подобных сущностей. Как вы, наверное, догадываетесь, программисты не пишут все сотни квестов, это делают геймдизайнеры. Программист разрабатывает один Java-класс квеста, а описания всех квестов с их логикой, задачами и текстами содержатся в XML-файлах, называемых ресурсами. При старте сервера мы загружаем эти ресурсы и на их основе собираем Java-классы с описанием мира. Этими классами уже может пользоваться сервер. Примерно такая же система существует и на стороне клиента, только там ресурсы не грузятся из XML-файлов, а просто загружается заранее созданный «кусок памяти», содержащий все нужные объекты и ссылки между ними. Ресурсных файлов у нас существует несколько сотен тысяч, но их загрузка на сервере занимает около двух минут. На клиенте же все грузится за секунды. Система очень навороченная, поддерживает такие фичи, как прототипы и наследование, вложенные описатели и т.п. Поверх ресурсной системы у нас созданы специализированные программы для редактирования карт и остальных игровых сущностей.
Сервер в действии
Давайте теперь на примерах рассмотрим несколько сценариев того, как работает вся эта система в действии.Убить собачку
Классический тест, который мы всегда проводим, если сильно изменили инфраструктуру и хотим проверить, что все работает, называется «Убить собачку». Нужно зайти клиентом на сервер и убить там какого-либо моба. Этот тест покрывает практически все основные моменты сервера и служит прекрасным примером для того, чтобы сложить все вышесказанное вместе. Давайте по пунктам разберем, что и как происходит при убиении несчастной собачки. Конечно, некоторые шаги упрощены, но это не критично для понимания.Клиент посылает на аккаунт-сервер сообщение: «Хочу войти в игру».
Аккаунт-сервер запрашивает базу данных, проводит авторизацию и запрашивает у балансировщика карту, на которой игрок был в последний раз.
Балансировщик выбирает карту из уже загруженных или создает новую на наименее загруженном сервере игровой механики.
Клиент подключается к той механике, где для него была создана карта. Пока он подключается, для него загружается его аватар.
Сервер начинает реплицировать все объекты вокруг аватара на клиент. Клиент рисует шикарную картинку и посылает на сервер команды, которые посылает игрок.
Игрок начинает бегать по карте, а сервер перемещает его по миру и реплицирует изменения окружающей действительности. Игрок находит какого-либо моба и нажимает кнопку «ударить».
Команда «удар» прилетает на сервер, на сервере выполняется проверка, что удар возможен, и мобу отправляется сообщение о нанесении повреждений.
Команда «нанести повреждения» отрабатывается на мобе, просчитывает все резисты и другие подобные вещи, потом берет функциональность «здоровье» и списывает какое-то количество.
Клиенту посылается ответ с подтверждением нанесения урона, клиент рисует удар.
Масштабирование
Давайте зайдем с другой стороны и посмотрим, как сервер ведет себя под нагрузкой.0 клиентов. Если на сервере никого нет, его можно запускать одним приложением с минимальными настройками и без карт. На сервере нет никакой активности, и большую часть времени он простаивает.
1 клиент. Для одного клиента приходится создавать карту, мобов, серверные объекты, которые начинают потреблять память и процессорное время для своей жизни.
500 клиентов. 500 клиентов обычно уже достаточно много, чтобы процессорного времени одной персоналки не хватало для работы сервера. Приходится запускать realm на нескольких машинах или на более мощных серверах.
10000 клиентов. 10000 клиентов требуют уже нескольких серверов. Так как большая часть нагрузки приходится на игровые механики, нужно запускать realm с дополнительными сервисами игровой механики.
100000 клиентов. При 100000 одновременных игроков больше половины серверов заняты игровой механикой.
Клиентов больше, чем железа. Если вдруг игроков станет еще больше, а железо у нас вдруг кончится, то придется ограничивать вход людей в игру, пока подвозят новые серверы. Для этого существует очередь на вход, которая заставляет игроков ждать, когда сервер будет готов их принять. Эта очередь гарантирует, что одновременно один realm не может содержать игроков больше, чем мы готовы принять. В очередь игроков могут начать ставить и в том случае, если из-за бага или еще по каким-либо причинам сервер вдруг стал работать медленнее определенного порога. Лучше сделать приемлемый сервис для ограниченного числа клиентов, чем упасть для всех.
Заключение
Надеюсь, наш опыт поможет вам понять, как работают современные игровые серверы, и создать свой, если до этого дойдет дело.Чтобы лучше понять другие аспекты разработки игр, я бы порекомендовал вам почитать статьи моих коллег.Ну и конечно же запись на закрытый бета тест. sf.mail.ru/
Занятная статистика
Статистика по строкам кода. В статистику включен только сервер.
Авторы, собранные из комментариев к коду.
P.S.: Как обычно, на все вопросы отвечаем в комментариях.
