帧同步可以轻松解决高互动的联网游戏（如格斗，RTS 等）的同步问题，但该方案对延迟很敏感，现在一般省内服务器延迟差不多 10-15ms （1帧），跨省一般 40ms （2-3 帧），在此情况下，使用 Run-Ahead 机制可以有效的掩盖延迟的体感，让用玩家立马看到自己的操作反馈。

该机制有很多其他名字比如：预测回滚（prediction and rollback），或者时间曲力（time warp），名字取的天花乱坠的，很多文章也只是云里雾里说一半天，结果还没说清楚，所以本文打算最简短的句子说清楚这个概念，并给出可以实际操作的实现步骤。

我觉得用 Run-Ahead 这个质朴的名字更容易说明这个算法背后的思想：提前运行，这个概念不光用在游戏同步里，也早已用在游戏模拟器中，为了便于理解，先说一下模拟器中的情况（更简单）。

RetroArch 使用 Run-Ahead 隐藏输入延迟，一般需要设置一下 Run-Ahead 的帧数，比如 0 是关闭，1 是提前运行一帧，2 是提前运行两帧，一般设置用 1 或者 2，不要超过 5，因为太高游戏表现会很奇怪：

运行时 RetroArch 为每帧保存快照，假定的是用户输入有持续性，那么运行时当前帧使用上一帧用户的输入作为本帧输入（假设 runahead 设置为 1），然后接着往下运行，如果用户新输入来了，一律把它算作当前帧-1 的输入，然后再去对比历史如果和上一帧所尝试假定的输入一致就继续，否则快照回退到上一帧，重新用新的输入去运行，然后再快进到当前帧。

通常手柄或键盘都有 5ms 左右的输入延迟（部分设备如 switch 的 pro 手柄延迟高达 15ms），再加上操作系统处理的延迟，投递到模拟器进程里，从按下到真正开始处理也许也差不多 1 帧的时间了，RetroArch 用这个功能，也只有用户真实输入和预测输入不一致时才会触发，由于间隔很短，所以即使纠正也难看出来，最终在模拟器上达到了物理设备一样的超低延迟体验。

理解了模拟器的 Run-Ahead 实现，其实在帧同步里的原理也就差不多了，无外乎是用远程的旧输入，搭配本地刚采集到的新输入，作为预测帧的输入值，产生新帧，不匹配了再回滚。

帧同步里引入类似 Run-Ahead 的机制，要求游戏最近所有状态都可以被快速保存、复制和恢复，实现有很多种，你可以用状态的反复前进、后退来实现，但是 BUG 率太高了，这里给出一个更简易的实现方式：

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关于游戏同步的话题说的太多了，我是不想再谈了，但是碰到一些含糊和容易引起混淆的地方，必须澄清一下，云风在 2018 年在《lockstep 网络游戏同步方案》中有一段：

首先，我认为把 lockstep 翻译成帧同步，还有与之对应的所谓“状态同步” （我在多次面试中听过这个名词），都是对同步算法的错误理解造成的。把自己所理解的算法牵强附会到已有的在欧美游戏先行者中经过实践的方案上。

最近网易雷火工作室的一篇文章《细谈网络同步在游戏历史中的发展变化》谈到了类似的观点，那么为了避免产生混乱，有必要对 “帧同步”这个说法做一次澄清。

帧同步不是单指某个具体算法，而是范指 “保证每帧（逻辑帧）输入一致” 的一系列算法，传统实现有帧锁定，乐观帧锁定，lockstep，bucket 同步等等，但凡满足“每帧输入一致”的方法皆可以归纳为帧同步类别，至于要不要回滚？服务端要不要跑一套完整逻辑？操作要不要是键盘鼠标？还是高阶命令？客户端要不要像视频播放器一样保证平滑缓存 1-2 帧？或者要不要保证平滑加一层显示对象的坐标插值？这些都是具体优化手段。

我在 2009 年公司应届生培训的《服务端开发培训》课程内，最早开始做同步技术培训：

这个 “帧间同步”喊着喊着就被喊成了“帧同步”，这应届生培训持续了好几年，应该数百人听过这个课程，后面的讲师又接着迭代这个 ppt 接着讲了好几年，听过的应届生们自己摸索后，又写了新的技术分享放到网上，兴许从那时候 “帧同步”和 “状态同步”的说法就流传开了吧。

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实时动作游戏在近年来得到迅猛的发展。而游戏同步问题，成为大家继续解决的核心问题之一。早在 2004 年，国内游戏开发还处于慢节奏 RPG 满天飞的情况下，我就开始实时动作游戏研究，分别在 2005-2006 期间写了一系列相关文章，被好多网站转载：

帧间同步模式：《帧锁定同步算法》（2007）：https://skywind.me/blog/archives/131

玩法规避模式：《网络游戏同步法则》（2005）：https://skywind.me/blog/archives/112

预测插值模式：《影子跟随算法》（2007）：https://skywind.me/blog/archives/1145

如今十年过去，网上越来越多的人开始讨论游戏同步技术了，然而很多文章往往只针对某种特定的游戏情况，而观点又经常以偏概全。很多人并没有真正开发过实时动作游戏，更别说了解同步技术的前世今生了。转载别人的观点并加上自己理解的人很多，实际动过手的人很少。避免给更多人造成无谓的误导，我今天基于先前的实践和对欧美动作游戏，战网游戏，主机游戏（PSN，XBox Live等）网络技术的了解，来对这个问题做一个简单总结：

网速的变化

开发快速动作游戏，首先要对公网的网络质量数据有详细的了解。这里所说到的网速，是指 RTT，数据往返一周的毫秒时间，而非每秒传送多少 KB/s。我写这篇文章是基于我 2005-2006 年开发的东西来说的，当时国内公网质量比国外差很多：

上图为 2005-2006 年国内的网络环境，某三个省级 IDC的情况采样。当时公网 RTT平均值基本在 100ms，120ms 左右徘徊。所以我文中引用了很多 100ms。这个情况在2009 年以后已经好了很多（60ms 的 rtt）。到了 2012 年以后，公网平均 RTT已经降低到平均 40ms-50ms，省内平均 10ms 以内了：

上图为 2015 年某省级 IDC 的全国延迟情况，如若全国多布点以及区别电信联通的话，平均延迟能控制在 20ms 以内，延迟基本接近国外水平（当然带宽还差很多），比我当年文章中提到的网络情况好了不少。

帧间同步法

关于帧间同步的 “帧锁定算法” 系列的方法有很多类似实现（包括后面提到的帧间无等待改进，包括 LockStep 等），但是他们的核心都是一个：保证所有客户端每帧的输入都一样。这样的方式被格斗游戏，RTS 和足球（FIFA类）、篮球（NBA）等体育和动作游戏大量使用，比如我们熟悉的各大战网平台游戏（Xbox Live等），还有很多基于模拟器的街机对战平台。以及不少大型多人横版动作游戏。以开发便利，同步逻辑直观而受到大家欢迎。

帧锁定算法多用在 C/S 模型中（或者一人做主多人做从的P2P里），它和 LockStep（多用于P2P）共同存在的问题就是 “网速慢的玩家会卡到网速快的玩家”，老式游戏经常一个角色断网，所有人就在那里等待。为此出现了帧锁定的改良版本 “乐观帧锁定”（具体描述见帧锁定文章的下半部分）经过了不少游戏的实践检验。先前还有几款上线的横版格斗页游（如熟知的街机三国）用 Flash 的 TCP without NODELAY 来每秒 20 个关键帧的模式（特意找该游戏开发者确认了一下）跑该算法（由于近两年国内网速提高，Flash 的 Tcp without NODELAY 也能做很多事情了），效果还不错。

具体实施时用不着按照文所述每一个步奏都相同，可以有很多变通。比如不一定是有变化的时候才通知服务端，有线上某横版格斗页游就是也可以每秒 20 次向服务端直接发送数据（flash 时钟不准需要自己独立计时），服务端再每秒 40 次更新回所有客户端，看具体情况而定。

也有使用 UDP 的端游，客户端每秒钟上传 50 次键盘信息到服务端，丢了就丢了，后面持续发送过来的键盘数据会覆盖前面的数据，所以丢了没关系，更快捷。当然，UDP 也不是必须的，近两年网速提高很快，省内都能做到 10ms 的 RTT 了，跨省也就 50ms 的 rtt，不少页游上用该方法上裸的 TCP 照样跑的很顺畅。

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算法简述

动作类游戏如何在高延迟下实现同步？不同的客户端网络情况，如何实现延迟补偿？十年前开始关注该问题，转眼十年已过，看到大家还在问这类问题，旧文一篇，略作补充（关于游戏同步相关问题还可以见我写于2005年的另外两篇文章，帧锁定算法 和
网游同步法则）：

影子跟随算法由普通DR（dead reckoning）算法发展而来，我将其称为“影子跟随”意再表示算法同步策略的主要思想：

1. 屏幕上现实的实体（entity）只是不停的追逐它的“影子”（shadow）。
2. 服务器向各客户端发送各个影子的状态改变（坐标，方向，速度，时间）。
3. 各个客户端收到以后按照当前重新插值修正影子状态。
4. 影子状态是跳变的，但实体追赶影子是连续的，故整个过程是平滑的。

图 1 算法演示

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帧锁定算法解决游戏同步

早期 RTS，XBOX360 LIVE 游戏常用同步策略是什么？格斗游戏多人联机如何保证流畅性和一致性？如何才能像单机游戏一样编写网游？敬请观看《帧锁定同步算法》

《帧锁定同步算法》转载请注明出处：https://skywind.me/blog/archives/131

算法概念

该算法普遍要求网速 RTT 要在 100ms 以内，一般人数不超过 8 人，在这样的情况下，可以像单机游戏一样编写网络游戏。所有客户端任意时刻逻辑都是统一的，缺点是一个人卡机，所有人等待。

1．客户端定时（比如每五帧）上传控制信息。
2．服务器收到所有控制信息后广播给所有客户。
3．客户端用服务器发来的更新消息中的控制信息进行游戏。
4．如果客户端进行到下一个关键帧（5帧后）时没有收到服务器的更新消息则等待。
5．如果客户端进行到下一个关键帧时已经接收到了服务器的更新消息，则将上面的数据用于游戏，并采集当前鼠标键盘输入发送给服务器，同时继续进行下去。
6．服务端采集到所有数据后再次发送下一个关键帧更新消息。

这个等待关键帧更新数据的过程称为“帧锁定”
应用案例：大部分 RTS 游戏，街霸II(xbox360)，Callus 模拟器。

算法流程

客户端逻辑：

1. 判断当前帧 F 是否关键帧 K1：如果不是跳转（7）。
2. 如果是关键帧，则察看有没有 K1 的 UPDATE 数据，如果没有的话重复第 2 步等待。
3. 采集当前 K1 的输入作为 CTRL 数据与 K1 编号一起发送给服务器
4. 从 UPDATE K1 中得到下一个关键帧的号码 K2 以及到下一个关键帧之间的输入数据 I。
5. 从这个关键帧到下 一个关键帧 K2 之间的虚拟输入都用I。
6. 令 K1 = K2。
7. 执行该帧逻辑
8. 跳转（1）

服务端逻辑：

1．收集所有客户端本关键帧 K1 的 CTRL 数据（Ctrl-K）等待知道收集完成所有的 CTRL-K。
2．根据所有 CTRL-K，计算下一个关键帧 K2 的 Update，计算再下一个关键帧的编号 K3。
3．将 Update 发送给所有客户端
4．令 K1=K2
5．跳转（1）

服务器根据所有客户端的最大 RTT，平滑计算下一个关键帧的编号，让延迟根据网络情况自动调整。

算法演示

我根据该算法将街机模拟器修改出了一个可用于多人对战的版本，早期有一个叫做 kaillera 的东西，可以帮助模拟器实现多人联机，但是并没有作帧锁定，只是简单将键盘消息进行收集广播而已，后来 Capcom 在 PSP 和 360 上都出过街霸的联网版本，但是联网效果不理想。这个算法其实局域网有细就经常使用了，只是近年来公网速度提高，很容易找到 RTT<50ms 的服务器，因此根据上述算法，在平均 RTT=100ms（操作灵敏度 1/10 秒），情况下，保证自动计算关键帧适应各种网络条件后，就能够像编写单机游戏一样开发网游，而不需状态上作复杂的位置/状态同步。

从上图的演示中可以看到，两个模拟器进程都在运行1941这个游戏，两边客户端使用了该算法，将逻辑统一在一个整体中。

最后这张图是运行KOF99的效果图，两边完美同步。

乐观帧锁定

针对传统严格帧锁定算法中网速慢会卡到网速快的问题，实践中线上动作游戏通常用 “定时不等待” 的乐观方式再每次 Interval 时钟发生时固定将操作广播给所有用户，不依赖具体每个玩家是否有操作更新：

1. 单个用户当前键盘上下左右攻击跳跃是否按下用一个 32 位整数描述，服务端描述一局游戏中最多 8 玩家的键盘操作为：int player_keyboards[8];

2. 服务端每秒钟 20-50 次向所有客户端发送更新消息（包含所有客户端的操作和递增的帧号）：

   update=（FrameID，player_keyboards）

3. 客户端就像播放游戏录像一样不停的播放这些包含每帧所有玩家操作的 update消息。

4. 客户端如果没有 update 数据了，就必须等待，直到有新的数据到来。

5. 客户端如果一下子收到很多连续的 update，则快进播放。

6. 客户端只有按键按下或者放开，就会发送消息给服务端（而不是到每帧开始才采集键盘），消息只包含一个整数。服务端收到以后，改写player_keyboards

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虽然网速慢的玩家网络一卡，可能就被网速快的玩家给秒了（其他游戏也差不多）。但是网速慢的玩家不会卡到快的玩家，只会感觉自己操作延迟而已。另一个侧面来说，土豪的网宿一般比较快，我们要照顾。

随机数需要服务端提前将种子发给各个客户端，各个客户端算逻辑时用该种子生成随机数，另外该例子以键盘操作为例，实际可以以更高级的操作为例，比如 “正走向A点”，“正在攻击” 等。该方法目前也成功的被应用到了若干实时动作游戏中。

指令缓存

针对高级别的抽象指令（非前后可以覆盖的键盘操作），比如即时战略游戏中，各种高级操作指令，在 “乐观帧锁定” 中，客户端任何操作都是可靠消息发送到服务端，服务端缓存在对应玩家的指令队列里面，然后定时向所有人广播所有队列里面的历史操作，广播完成后清空队列，等待新的指令上传。客户端收到后按顺序执行这些指令，为了保证公平性，客户端可以先执轮询行每个用户的第一条指令，执行完以后弹出队列，再进入下一轮，直到没有任何指令。这样在即时战略游戏中，选择 250ms 一个同步帧，每秒四次，已经足够了。如果做的好还可以象 AOE 一样根据网速调整，比如网速快的时候，进化为每秒 10 帧，网速慢时退化成每秒 4 帧，2 帧之类的。

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PS：可以把整段战斗过程的操作和随机数种子记录下来，不但可以当录像播放，还可以交给另外一台服务端延迟验算，还可以交给其他空闲的客户端验算，将验算结果的 hash值进行比较，如果相同则认可，如果不通则记录或者处理，服务端如果根据游戏当前进程加入一些临时事件（比如天上掉下一个宝箱），可以在广播的时候附带。

（完）

网路的硬件也有限，而人的创造也无限，在公网平均130ms的Latency下，是不存在“完全的”的同步情况。如何通过消除/隐藏延时，将用户带入快速的交互式实时游戏中，体验完美的互动娱乐呢？

以下六点，将助你分清楚哪些我们可以努力，哪些我们不值得努力，弄明白实时游戏中同步问题关键之所在，巧妙的化解与规避游戏，最终在适合普遍用户网络环境中(200ms)，实现实时快速互动游戏：

1. 基本情况：
(A) 网络性能指标一：带宽，限制了实时游戏的人数容量
(B) 网络性能指标二：延时，决定了实时游戏的最低反应时间

2. 两个基本原则：
(A) 让所有的用户屏幕上面表现出完全不同的表象是完全没有问题的。
(B) 把这些完全不同表象完全柔和在一个统一的逻辑中也是完全没有问题的。

3. 同步的十二条应对策略：
(A) 最大可能减少游戏中的数据传输
(B) 将阻塞通信放到线程池中实现
(C) 永远不要为了等待某个数据而不让游戏进行下去
(D) 利用预测和插值改进游戏的效果
(E) 当使用预测插值的时候传送的数据不仅包括坐标，还需要速度和加速度
(F) 将输入数据枷锁或者队列化(例如键盘消息队列)，直到下次发送数据的时刻，传统的方法是在固定的时间(发送数据前)检测键盘，在游戏的原理上隐藏延时
(G) 使用事件调度表，将需要在所有用户客户端同时发生的事件，提前广播到所有用户
(H) 使用多次攻击来杀死一个精灵，尽量减少一次性的、确定性的、延时敏感的事件
(I) 延长子弹或者火箭在空中飞行的时间(在其飞行的同时，在所有客户端进行预测插值)
(J) 所有物体从一个地方移动到另外一个地方都需要时间，避免诸如“瞬间移动”的设计
(K) 尽量使游戏中所有精灵，飞船或者其他物体，都按照可预测的轨迹运行，比如在移动中增加惯性
(L) 充分发挥创造力，尽最大可能的合并游戏中前后相关的事件，合并游戏中存在的延时此问题，需要在技术上改进的同时也需要策划有所重视，规避一些影响较大的设计，巧妙的隐藏”延时”

4. 同步问题现状：
(A) 重视程度不够：很多人尚未意识到此问题的存在，曾有公司花半年时间打算做一款“松鼠大战”的网络版。
(B) 技术上无彻底解决方案：对于多数程序员，单机游戏技术善未成熟就匆匆步入网络时代。
(C) 研究这个技术需要条件：需要有实力的公司才能提供，无此条件，即便有能力的程序员也无法成功。

5. 目前网游的三大技术难题：
(A) 服务器的响应问题：如何使服务器在支持越来越多的人数的情况下提供最高的响应。
(B) 同步问题：如何在有限的网络响应情况下，实现快速实时类游戏，提供最完美的交互。
(C) 服务器分布式问题：如何在统一用户数据的情况下，利用分部式将各个分散的“世界”统一到一个“世界”中。
谁能真正解决好以上三个问题，配合策划在设计上的突破，将使其他人在至少两年内无法超越。

6. 相关补充：
(A) 网格技术现在还是抄作，真正用到游戏中，还有很多技术难点需要突破(比如：目前网格的单位计算时间是以秒计算).
(B) 其实与很多人想法相反的是现在3D技术早已不是主要的矛盾。而现在国内外对于以上三个问题可以说处于同一个起跑线上，完全有机会取得先机。
(C) 现在解决同步问题已经很紧迫，而同时所需要的环境也已经成熟，只要有所关注，半年之内可以得出较成熟的结论

那么具体怎么解决呢？再下一步怎么办？
这就得自己去实践了，我只说这么多了，哈哈，不然又教懒了那些成天再网上搜方案的人。

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