“和学霸一起学”栏目每周推送游戏相关的专业课程内容，通过相对专业、体系的知识内容，帮助大家提升对游戏的认识水平和理解力。本篇内容源于由清华大学美术学院与腾讯游戏学院联合制作“游戏程序设计”系列课程，课程名称为《游戏服务器概述》（讲师：孙峻，高璐）。文末还设有学习互动环节，欢迎参与赢取奖励！
游戏程序开发有两个大方向，包括前端和后端。其中，前端是指客户端方面，包括PC、手机和平板上面的可视化图形技术。后端则偏向于服务器，即用户不可见的部分。
本文将通过游戏服务器的起源、功能特点、分类和发展历史，以及系统架构、开发核心技术和难点、设计原理等方面来介绍后端的服务器技术。
#01
游戏服务器概述
概念及起源
游戏服务器，是服务器硬件和软件的结合。其中，硬件负责承载游戏服务，软件则提供游戏服务。
游戏服务器的出现，是因为玩家对游戏有三个方面的需求。
第一，是游戏性的需求。
最早的游戏机，更讲究单局游戏的体验和过程，不可以存储进度。这种单局过关的游戏性，来自于用户体验的提升，来自于玩家对技能、关卡熟悉程度。随着用户体验时间的增长，这类游戏对玩家来说会变得容易，游戏性就会被消耗掉。
随后出现了一些可存档的游戏。比如，红白机上有了最早的可存盘游戏——《三国志：霸王大陆》。网络刚开始兴起的时代，PC端的游戏也是可以存储一些进度的。但当时的网吧基于安全需求，在玩家使用电脑后重置机器，游戏内容就会被清空。从游戏性的需求来看，玩家希望换电脑也能够继续游戏进度。为了解决这个问题，设计者就需要把玩家的数据和剧情放到网络服务上。
第二，是多人联机的需求。
单机游戏有它的乐趣，但更多时候，玩家与玩家之间的互动可以产生更多变化。比如，斗地主这个传统游戏，一共只有52张牌，三个人玩却可以有无数种玩法。为了实现这个需求，一般可以用中转的电脑来转发用户的数据和状态操作。这个操作不局限于用服务器来实现，在局域网上，一些互相转发的方式也同样可以实现。
第三，是保证游戏公平性的需求。
通常，游戏防止玩家作弊的方式就是引入第三方电脑裁判。
上述三个需求驱动了游戏服务器的诞生，它们同样也是游戏服务器的主要功能。此外，游戏服务器还有一个重要功能——充值。
功能
游戏服务器的功能，主要有四个。
（1）包括终端网络连接的建立和会话维护在内的网络服务。
有了终端和前端间的网络连接，才能实现前端后端的交互。而会话维护，主要指用户的登录和登出，同时也是该用户在服务器上的一个生命周期。会话维护还包括断线重连，这一问题在PC端不太容易出现，但在手游端会经常发生网络的切换（WIFI和WIFI、4G基站之间），这些都会导致玩家网络掉线。会话维护使得网络掉线后，玩家在服务器上的生命周期也不会消失。
（2）用户数据的存取
数据读取，一般会发生在以下两个场景：一是登录。玩家登入服务器后，服务器会从存储读取。二是切换。比如，从大厅服务器切换到战斗服务器，也有可能从DB（database，或者文件系统）读取用户数据。
而一般的服务器技术采用三种存储方式：
① 用户下线存取。用户下线时，服务器会对数据进行回写。
② 定时回写。比如，每隔半分钟、每隔五分钟，把数据回写一次。
③ 重要数据立即回写。比如游戏里，玩家打了一个特别贵重、极其稀有的装备，或者涉及金钱交易的数据，都是会及时回写。这种方式是为了解决前两种存储方式可能导致的问题：如果异常掉电，那么服务器会出现异常，导致用户数据丢失。
（3）游戏的逻辑计算。
采用服务器技术后，一些以前单机上实现的前端计算，被放到了后端。这也是为了防止作弊，以及解决以前存在的一些问题。比如，在FPS（第一人称射击游戏）中，玩家是否命中的判断是在前端，但命中后产生的伤害，包括护甲、免伤等数据，都要通过逻辑计算。以前的逻辑计算都是在客户端进行，不可避免地会有作弊的可能。如今，逻辑计算都在服务器进行，减少了作弊的可能性。
（4）是用户行为或状态变化的同步。
在网络游戏中，玩家在用户端的视野范围内，可以看到其他玩家或怪物、NPC（非玩家角色）的动作行为。这种真实世界的模拟，就需要各角色行为和状态的同步变化，这就是后端服务器的功能之一。
特点
游戏服务器虽然是互联网服务的一种，但相对互联网服务有一些自己的特点：
第一是，延迟敏感。延迟指玩家操作动作、发出指令，和动作在画面上呈现图像反馈到视觉，之间有一定的时间差。
第二是，实时的高强度交互。单次请求会产生很多服务器的逻辑，还有一些广播和同步。服务器承受的最大压力的逻辑是移动同步。比如，假设玩家在一个20人左右的场景里，每移动一步，客户端1s之内大概会发出5个移动包（假设），表示玩家方向或移动目标点的改变。对于其他用户来说，服务器也要实时同步，相当于消息量会放大20倍。这对服务器来说，是很高强度的交互。
第三是，业务逻辑复杂，内部耦合度高。由于游戏服务器具有延迟敏感和交互高强度的特点，这决定了服务器的状态维护是一个必然的过程，也导致了逻辑的复杂性。举例来讲，玩家击杀一个怪物，在服务器端，逻辑不仅仅是击杀一个怪物，也可能会触发一个任务，比如玩家今天要击杀15个怪物，这样类似的逻辑。
第四是，变更频度高、幅度大。手游时代，游戏的更新频率非常快，内容非常多。因此，服务器的更新和灰度部署要求会更高。
#02
游戏服务器的发展
网络游戏发展史
上世纪七十年代末，网络游戏最早是文字MUD和UNIX网络同步出现。
之后，八十年代末到九十年代初，局域网连接的游戏出现，最早是《沙丘》，其次是《红警》、《魔兽2》和《DOOM》。
到九十年代末，出现了Diablo（《暗黑破坏神》）战网。
1997年，金山发布了一款比较有名的RPG类（角色扮演）游戏《剑侠情缘》。当时，《剑侠情缘》还是单机版的。后来在2003、2005和2009年，分别发布了网络版的1代、2代和3代。
1998年，主打休闲游戏的联众游戏成立。
2000年左右，MMOG（大型多人在线游戏）《传奇》登陆中国。
2004年，《魔兽世界》（WOW）出现。
2006-2010年，手游兴起。莉莉丝游戏做出了一个比较成功的手游产品——《刀塔传奇》。
2010至今，就是休闲类的《纪念碑谷》、网易次元文化的《阴阳师》，再到如今大热的MOBA类（多人在线战术竞技游戏）的对战手游《王者荣耀》。
游戏服务器的发展
第一代游戏服务器，是比较简单的单进程、单线程模型，无阻塞。服务器在接收到玩家的消息后，把消息按照队列进行异步的序列化。
这种单线程的服务器模型，最早的是类似于78年的MUD游戏。使用终端模拟程序telnet等，就可以直接登录。进入场景之后主要采用文字叙述的方式，即服务器告诉玩家在什么场景、有什么数据，然后玩家输入指令。早期的服务器，虽然没有很强的逻辑，但因为整体构架比较简单，所以承载能力较低。
第二代游戏服务器，为了增加并发，在服务器端也发展了多线程和多进程的模型。在服务器本身的逻辑上，开始增加了分区分服的结构。
比较典型的游戏是上图中，EA（美国艺电公司）旗下公司在1997年发布的《Ultima Online》，即《创世纪》。它是世界上第一款图形界面的大型多人在线角色扮演游戏。
此外，还有联众在2000年推出的休闲棋牌游戏。当时，联众跟地方的运营商（电信、联通等）合作，搭建游戏服务器。所以在游戏中，会有南方电信1、北方联通1等分区。这体现了第二代游戏服务器架构典型的分区分服特点。
第三代游戏服务器，相对更百花齐放一些，主要有四种类型。
第一种类型，是在第二代的基础上发展而来，实现三层架构的游戏服务器。
首先，Gate server作为所有玩家的游戏连接，主要负责处理网络的IO部分。然后，通过内部的网络即IDC（互联网数据中心）专网，与游戏逻辑服务器相交互。最后，通过mysql或其他数据库，把用户数据存储到DB server。它的主要特点是，把网络和存储IO进行逻辑分离，可以对每一层进行扩展。一般负载的瓶颈大都在GameServer层，这层可以做更多的扩展，从而支持单区单服增加承载的能力。
2003年的QQGame，是比较典型的三层架构服务器代表。它当时是腾讯首款自研的游戏产品，最高达到过PC端八百多万人在线的成绩。QQGame很快就超越了联众，即使在现在的休闲棋牌市场上，也处于绝对领先的地位。
第二种类型，是服务器集群，上图是比较简单的示意图。
首先，也有与玩家连接的接入类服务器，这里命名为GATE，它负责处理专网连接，在游戏WORLD处理游戏逻辑。然后它会把通用逻辑和功能抽取分离开来，比如管理、聊天、交易以及一些组队和工会，放到独立的地方，再通过Cluster服务器集群的方式提供服务。采用这种分组以后，以前同步的逻辑直接本地调用一个函数，来处理组队和工会，会变到另外一个服务器上，中间就多了一些异步交互。异步交互存在状态维护的困难，所以这种结构开发难度会更高。
MMO和RPG大都是这种结构。其中，比较有代表性的是最早期的《传奇》。它是一个经典的MMO，是盛大引进代理的韩国游戏。
《QQ幻想》和《QQ华夏》，也采用了这种结构。《QQ幻想》是腾讯在2005年，自研的一款Q版卡通类RPG，最高的时候有六十万左右玩家在线。《QQ华夏》则是07年深圳网域公司开发的RPG游戏，当时腾讯做代理运营。
第三种类型，是无缝地图。它的特点主要有三：
① 一个场景服务器只负责一部分场景；
② 玩家进入游戏后，没有加载地图的过程；
③ 在场景边缘处，数据可能同时存在于多个场景服务器中。此时会由world级的服务器进行管理，决定哪个服务器做决策。在边界切换时，不同场景服务器共同持有玩家的数据，玩家就不会感觉到明显的切换。最典型的，就是《魔兽世界》对无缝地图技术的应用。
第四种，是房间型服务器。
图中间的部分是大厅接入群，类似于上文中的gate和游戏服务器。这部分主要负责用户的接入、主要的逻辑处理以及其他一些大厅服务，比如《王者荣耀》和《英雄联盟》的5v5匹配。当很多玩家同时申请进入游戏时，房间型服务器会根据规则挑选出等级接近的玩家，分别组成队伍。之后单局的过程，叫做战斗接入群或房间服务。战斗接入群会做一个分布，比如，根据北方的联通和南方的电信，对用户做就近的接入。再如PUBG mobile，它的大厅集群放在北美，同时在北美、亚洲和欧洲都有战斗接入群，方便各地用户接入。
房间型服务器的游戏比较多，包括《英雄联盟》、《王者荣耀》和《刺激战场》（《和平精英》）等。
#03
核心问题、技术和实现难点
核心问题
游戏服务器要解决的核心问题，是满足海量游戏用户稳定和高质量的服务需求。
首先，“海量”指的是，十万到千万级的PCU（Peak Concurrent User，即最高同时在线用户）。此外，还有个名词DAU(Daily Active User，日活跃用户)，是游戏运营的数据指标，而PCU主要考量服务器的性能数据。
其次，“稳定”代表着：
①服务器不能宕机，一旦服务器出现问题，用户的直观感受就是掉线了。
②要容忍弱网络的问题。比如，用户网络不稳定，连接断掉之后，服务器可以允许用户在短时间内进行WiFi和4G的切换，允许用户重新连接，保证服务可以继续。
最后，“高质量”主要是指处理网络的延迟和一些逻辑问题。
核心技术和实现难点
游戏服务器的核心技术和实现难点主要有四个：
① 单服处理能力
对于不同类型的游戏，单服即一个服务器，支撑的在线玩家数量是不同的。休闲类如棋牌游戏，可以支撑两万到三万的玩家；MMO可支撑的玩家数在五千到八千；而射击类等高强度交互的游戏，只能支撑两千到三千的玩家。
② 逻辑耦合度高
服务器有很多集群的设计，所以在单服处理能力方面，会有算法的优化。比如，排序方面有排序查找、hash（哈希，“散列”算法）和二叉树；还有用空间换时间的方法，把经常用的数据放到内存里，减少CPU的经常读取。
服务器设计比较难的地方在于逻辑设计。很多逻辑是一个整体，要想将它分离开，就要找联系相对薄弱的地方。举例来说，组队和游戏逻辑的相关性比较小，就可以抽离出来。有些服务器单独将组队剥离，那么组队的消息接口和逻辑，就容易抽离成另外一个独立的服务器。但即使逻辑之间可以分解，这也是有限度的。分解的越细，异步协作和状态维护的内容就会越复杂，游戏开发的难度就越大。
③ 延迟敏感
在防止延迟上，前端和后端需要一定配合。比如，前端会提前按帧缓存，当出现网络延迟和卡顿时，游戏其实还可以继续进行一段时间，这样玩家对延迟就没那么敏感。但是，提前缓存会存在玩家手感差异的问题，而且也不能缓存太多，否则玩家感受到的延迟就会比较明显。
④ 版本更新
现在，手游时代很少会停机更新，即使有也大都在凌晨。更流行的方式是不停机更新，这就要求逻辑、资源一定要做程序设计上的分离，保证在更新资源时，程序可以重新读取并加载，且不中断。
上图是游戏服务器的一个系统结构示例，它偏向于房间型结构。首先，前端采用TCP或其他协议进行接入；之后，大厅接入群，主要包括接入服务器和游戏逻辑服务器，通过Proxy或者哈希算法的方式，把DB（database，数据库）做分布式存储。因为一台DB存储不了千万上亿级的用户数据。最右侧，是一些内部的接口。举例来讲，如果运营商要发布活动如经验加倍、金币加倍等，就会通过管理端向游戏逻辑服务器做接口服务。图中的战斗接入群，主要处理单局的游戏内容。
此外，在公共平台还有支付、关系链和排行榜等功能。支付与游戏逻辑的相关性不大，可以独立出来。支付的大致方式有两种：一是将人民币转换为游戏内代币，二是代币旳消耗。关系链一般是第三方平台的关系链服务，包括QQ关系链、微信关系链和Facebook关系链等等，有些服务通过第三方的API或接口进行同步。排行榜也可以做成一个独立公有的服务器。
游戏服务器的网络协议主要有Tcp、Udp、R-udp和http四种。
Tcp是面向一个流的模型，本身有滑动窗口重传的机制。协议没有边界，但有流量控制，丢包会影响它的传输速度。
Udp是点对点的，没有可靠性的控制，不能保证消息包一定被收到，丢包会影响传输的成功率。
R-udp是在Udp的基础上，吸收了Tcp的特点，保证了可靠重传的机制。
