Unity3D物理游戲網絡同步指南

前言

Unity3D 物理游戲的網絡同步是一個復雜但非常核心的話題。要實現一個流暢、公平且可擴展的多人物理游戲，需要深入的理解和精心的設計。

下面我將為你全面解析 Unity3D 物理游戲的網絡同步，包括核心概念、主流方案、實現細節以及最佳實踐。

對惹，這里有一個游戲開發交流小組，希望大家可以點擊進來一起交流一下開發經驗呀！

1. 核心挑戰

物理游戲網絡同步的核心矛盾在于：

確定性 (Determinism)：要求所有客戶端的物理模擬在每一幀都產生完全相同的結果。
延遲 (Latency)：網絡傳輸需要時間，導致各個客戶端看到的世界狀態存在時間差。
帶寬 (Bandwidth)：網絡數據吞吐量有限，不能無限制地同步所有數據。

物理引擎（如 NVIDIA PhysX、Box2D）本身在設計上通常是非確定性的。微小的浮點數誤差、不同的硬件、甚至幀率的波動都可能導致模擬結果迅速發散。因此，我們不能簡單地讓每個客戶端獨立模擬然后同步位置。

2. 主流網絡同步模式

對于物理游戲，通常采用以下幾種模式或其混合模式：

2.1 權威服務器模式 (Authoritative Server)

這是最推薦、最穩健的方案，尤其適合競技游戲。

核心思想：只有一個“權威”（通常是服務器）掌握真正的游戲狀態。所有重要的物理計算都在服務器上進行。
工作流程：

客戶端：發送玩家的輸入（如：W鍵按下、鼠標轉向角度）到服務器。
服務器：接收所有客戶端的輸入，在一個固定的物理幀（FixedUpdate）中處理這些輸入，運行物理模擬。
服務器：將模擬結果（物體的位置、旋轉、速度等狀態）廣播給所有客戶端。
客戶端：接收服務器發來的狀態，并渲染這些狀態。客戶端不進行權威的物理模擬，只是呈現結果。

優點：

防作弊：客戶端無法篡改游戲規則和物理結果。
狀態一致：所有客戶端最終看到的是同一個世界。

缺點：

延遲感：玩家的操作需要 round-trip（往返服務器一次）才能看到效果，會有明顯的延遲感。

必須解決的痛點：延遲補償

客戶端預測 (Client-side Prediction)：客戶端不等服務器回傳，先根據本地輸入立刻模擬出一個結果，讓操作感覺即時。當收到服務器的權威狀態后，如果發現和本地預測不一致，再進行** Reconciliation（調和）**，即“時光倒流”到服務器認可的狀態，并重新模擬輸入至當前幀。
服務器回滾 (Server Rewind)：當服務器處理來自客戶端的射擊等即時性操作時，它會根據每個客戶端的ping值，回退到過去某個時刻的游戲狀態來進行命中判定，以模擬“零延遲”的公平效果。這通常與預測配合使用。

2.2 狀態同步 (State Synchronization) vs 輸入同步 (Input Synchronization)

狀態同步：同步的是游戲世界的結果（位置、生命值等）。上面提到的權威服務器廣播狀態就是狀態同步。優點是邏輯簡單，缺點是帶寬占用可能較高。
輸入同步：同步的是玩家的輸入（按鍵、鼠標）。優點是帶寬極低（幾個字節/秒/玩家），缺點是要求所有客戶端的模擬必須是完全確定的，這對物理游戲來說非常困難。

對于物理游戲，純輸入同步幾乎不可行。通常采用?“權威服務器 + 狀態同步”?為主，客戶端預測則是在本地模擬輸入。

2.3 P2P 鎖步模式 (Peer-to-Peer Lockstep)

核心思想：所有客戶端形成一個P2P網絡。每一幀（或每一個“鎖步”），所有客戶端都將自己的輸入發送給其他所有客戶端。只有當一個客戶端收集到所有其他客戶端的輸入后，它才會開始下一幀的模擬。
優點：帶寬利用率高，理論上延遲最低。
缺點：
- 極度依賴確定性：任何微小的差異都會導致同步失敗，項目管理和測試成本極高。
- 一個掉線，全體卡頓：等待最慢的客戶端。
- 易受作弊影響。
結論：不推薦用于復雜的 3D 物理游戲。更適合《星際爭霸》這類RTS游戲。

3. 實現方案與技巧（基于權威服務器模式）

3.1 網絡庫選擇

Unity Netcode for GameObjects (NGO)：Unity 官方的高層網絡庫，集成性好，開箱即用，文檔豐富。是大多數項目的首選。
Mirror：一個非常流行、社區活躍的高層網絡庫，由 UNET 進化而來，API 友好，功能強大。
LiteNetLib / Forge Networking：輕量級、底層的網絡庫，提供更多控制權，但需要自己實現更多功能。
光子 (Photon)?/?DarkRift：成熟的第三方商業/開源解決方案，提供中繼服務器，可以幫助解決 NAT 穿透問題。

3.2 同步什么？如何同步？

同步的數據：
- 輸入：Vector2?移動方向、跳躍按鈕、鼠標點擊等。
- 狀態：Vector3?位置、Quaternion?旋轉、Vector3?線性速度、Vector3?角速度。同步速度比只同步位置更重要，因為物理引擎可以用速度更自然地推算運動。

同步的優化：
- 只同步變化的數據。
- 使用低精度壓縮：使用?Half?浮點數或自定義量化（如將位置從?float?壓縮為?short）。
- 降低同步頻率：不是每幀都同步，例如每秒 10-20 次。對于遠處的物體，頻率可以更低。
- 插值 (Interpolation)：客戶端收到稀疏的狀態更新后，在兩個已知狀態之間進行平滑插值，消除卡頓感。
- 外推 (Extrapolation)：根據最后已知的速度和方向，預測物體在下次更新前的位置。適用于運動 predictable 的物體（如賽車），但對會發生碰撞的物體效果不好。

3.3 處理物理對象

服務器上有完整的物理模擬。服務器上的 GameObjects 也需要有?Rigidbody?和?Collider。
客戶端的角色是“幽靈”：客戶端的物理對象通常應設置為?Kinematic（運動學）或直接禁用?Rigidbody，防止客戶端物理干擾顯示。它們只渲染來自服務器的狀態。
使用 NetworkTransform 組件：NGO 和 Mirror 都提供了?NetworkTransform?組件來處理 GameObject 的位置和旋轉同步。但對于物理對象，最好使用?NetworkRigidbody?或自定義的同步腳本來同步速度，以實現更平滑的效果。

3.4 代碼示例（偽代碼理念）

服務器端代碼（示例）

// 掛在玩家預制體上
public class PlayerController : NetworkBehaviour
{public Rigidbody rb;private Vector2 receivedInput;[ClientRpc]void UpdateClientPhysics(Vector3 position, Vector3 velocity){// 客戶端接收權威狀態if (!IsServer) // 服務器不用更新自己{rb.position = position;rb.velocity = velocity;}}[ServerRpc]void SubmitInputServerRpc(Vector2 moveInput){// 服務器接收客戶端的輸入receivedInput = moveInput;}void FixedUpdate(){if (IsServer){// 1. 處理輸入Vector3 moveDir = new Vector3(receivedInput.x, 0, receivedInput.y);rb.AddForce(moveDir * speed);// 2. 服務器進行物理模擬 (在FixedUpdate中)// 3. 定期將狀態廣播給所有客戶端if (Time.frameCount % 3 == 0) // 降低同步頻率{UpdateClientPhysics(rb.position, rb.velocity);}}}// 客戶端在Update中發送輸入void Update(){if (IsOwner){Vector2 input = new Vector2(Input.GetAxis("Horizontal"), Input.GetAxis("Vertical"));SubmitInputServerRpc(input);}}
}

客戶端預測（簡化概念）

// 客戶端預測邏輯
void Update()
{if (IsOwner){// 1. 本地立即應用輸入（預測）Vector3 predictedPosition = transform.position + moveInput * speed * Time.deltaTime;// 2. 同時將輸入發送給服務器SubmitInputServerRpc(moveInput);// 3. 渲染預測的位置transform.position = predictedPosition;}
}// 當收到服務器的權威狀態時
[ClientRpc]
void UpdateClientPhysics(Vector3 serverPosition, Vector3 serverVelocity)
{if (IsOwner){// 發現明顯誤差，進行調和（簡單粗暴的瞬移）if (Vector3.Distance(transform.position, serverPosition) > tolerance){transform.position = serverPosition;rb.velocity = serverVelocity;// 更高級的做法：記錄之前的所有輸入，從服務器狀態開始重新模擬它們}}
}

4. 最佳實踐與總結

首選權威服務器模式：這是保證公平和一致性的基石。
擁抱延遲補償：客戶端預測和服務器回滾是打造流暢體驗不可或缺的技術，不要試圖逃避它們。
服務器做所有重要決策：碰撞、傷害計算、物品生成等必須在服務器上進行。
善待帶寬：壓縮、降低頻率、只同步必要數據。
大量測試：在不同網絡條件下（高延遲、丟包）進行測試。Unity 的?Network Simulator?工具非常有用。
使用成熟的網絡庫：從?Netcode for GameObjects (NGO)?或?Mirror?開始，它們幫你處理了底層的連接、RPC 調用、對象生成等復雜問題。
管理好“ owned ”對象：清晰區分哪個客戶端控制哪個對象，服務器控制所有非玩家對象。
心態放平：網絡同步是一個持續的優化和調試過程，不可能一蹴而就。從一個簡單的盒子開始，逐步增加復雜性。