ROGIAN VILLA ARQUITETURAS DE REDE PARA JOGOS MMO E TÉCNICAS PARA AMENIZAR OS PROBLEMAS

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1 ROGIAN VILLA ARQUITETURAS DE REDE PARA JOGOS MMO E TÉCNICAS PARA AMENIZAR OS PROBLEMAS LONDRINA PR 2015

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3 ROGIAN VILLA ARQUITETURAS DE REDE PARA JOGOS MMO E TÉCNICAS PARA AMENIZAR OS PROBLEMAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. Orientador: Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Felinto LONDRINA PR 2015

4 Rogian Villa Arquiteturas de rede para jogos MMO e técnicas para amenizar os problemas/ Rogian Villa. Londrina PR, p. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Orientador: Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Felinto Universidade Estadual de Londrina, Palavra-chave1. 2. Palavra-chave2. I. Orientador. II. Universidade xxx. III. Faculdade de xxx. IV. Título CDU 02:141:005.7

5 ROGIAN VILLA ARQUITETURAS DE REDE PARA JOGOS MMO E TÉCNICAS PARA AMENIZAR OS PROBLEMAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. BANCA EXAMINADORA Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Felinto Universidade Estadual de Londrina Orientador Prof. Dr. Segundo Membro da Banca Universidade/Instituição do Segundo Membro da Banca Prof. Dr. Terceiro Membro da Banca Universidade/Instituição do Terceiro Membro da Banca Prof. Ms. Quarto Membro da Banca Universidade/Instituição do Quarto Membro da Banca Londrina PR, Data da defesa de 2015

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7 Dedicatória...

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9 Os agradecimentos... AGRADECIMENTOS

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11 Epigrafe...

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13 VILLA, ROGIAN. Arquiteturas de rede para jogos MMO e técnicas para amenizar os problemas. 45 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Ciência da Computação) Universidade Estadual de Londrina, Londrina PR, RESUMO Com o crescimento do mercado de jogos, aumenta a quantidade de jogadores online, e consequentemente o número de jogadores de jogos Massively Multiplayer Online ou MMOs. Apesar disso o custo de hardware, congestionamento da banda causando lentidão no tráfego da rede, distancia entre os servidores e jogadores, são problemas comuns, que causam falta de sincronia no ambiente virtual e é necessário para manter um jogo fluido. Assim é proposto neste projeto técnicas de resolução de problemas de rede em jogos MMO, e uma avaliação de arquiteturas de rede a fim de encontrar a melhor arquitetura de acordo com a característica de cada jogo. Palavras-chave: Jogos. MMO. Solução problemas de rede.

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15 VILLA, ROGIAN. Network architectures for MMO games and techniques to mitigate the problems. 45 p. Final Project (Bachelor of Science in Computer Science) State University of Londrina, Londrina PR, ABSTRACT With the games market growth, increases the amount of online players, and consequently the number of players of Massively Multiplayer Online games, or MMOs. Nevertheless the cost of hardware, bandwidth congestion causing delays in network traffic, distance between servers and players, are common problems causing lack of synchrony in the virtual environment, and is necessary to maintain a fluid gameplay. So is proposed in this project, network troubleshooting techniques project in MMO games, and a network architectures evaluation in order to find the best architecture according with the characteristic of each game. Keywords: Games. MMO. Network troubleshooting

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17 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Gerenciamento de interesse no jogo Battlefield 4 [1] Figura 2 Representação do modelo aura-nimbus [2] Figura 3 Exemplo de inconsistência causada pela rede [3] Figura 4 Diagrama de aplicação como host [4] Figura 5 Diagrama de réplicas do jogador [4] Figura 6 Diagrama de réplicas de um objeto controlado pelo servidor [4]

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19 LISTA DE TABELAS

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21 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS MMO API UDP RPG RTS FPS MOBA NPC Massively Multiplayer Online Application Programming Interface User Datagram Protocol Role Playing Game Real Time Strategy First Person Shooter Multiplayer Online Battle Arena Non-Player Character

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23 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO MASSIVELY MULTIPLAYER ONLINE PROBLEMAS DE REDE EM JOGOS MMO Inconsistência Largura de Banda Perda de pacotes Técnicas para amenizar problemas de rede Gerenciamento de área de interesse Dead Reckoning Compressão de pacotes ARQUITETURAS PARA JOGOS MMO UNITY Unet DESENVOLVIMENTO DO JOGO RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICES 43 APÊNDICE A EXEMPLO

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25 23 1 INTRODUÇÃO Jogos estão cada vez mais populares, e seu mercado já ultrapassou a renda da industria do cinema e continua em crescimento. Em 2012 o mercado mundial de jogos gerou uma renda de 66,3 bilhões de dólares [5] e em 2016 e estimada uma renda de 86,1 bilhões de dólares [5]. Da mesma maneira o crescimento de jogadores em jogos online vem aumentando, em 2013 só os jogadores Massively Multiplayer Online ou MMOs no computador renderam 22,6 bilhões de dólares [6]. Tendo em vista todo esse crescimento existem alguns problemas que afetam principalmente os MMOs, interferindo em sua jogabilidade, como a latência que impede a sincronia entre o servidor e o cliente, ou a perda de pacotes que causa dificuldade na movimentação por ocorrerem pulos ou teletransporte do personagem [7]. Esses problemas podem ser prejudiciais para o sucesso do jogo. O estudo de problemas de rede em MMO pode ser aproveitado em outras áreas acadêmicas e comerciais, assim como ambientes virtuais em rede ou até simulações militares [8], assim este projeto abordará técnicas para a resolução dos problemas de redes em MMOs e avaliar arquiteturas afim de escolher qual é mais adequada para um jogos de acordo com a sua característica.

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27 25 2 MASSIVELY MULTIPLAYER ONLINE Jogos são simulações de ambientes onde cada jogador busca atingir um objetivo através da interação com outros jogadores e com o ambiente [9]. Dentro de um jogo, o jogador pode interagir com um Non-Player Characters ou NPC - personagens controlados diretamente pela inteligência artificial [10] -, e com o ambiente virtual. Quando o jogo tem a possibilidade de possuir outros jogadores em um mesmo ambiente virtual ele é um jogo multiplayer. O jogador pode enviar comandos de forma assíncrona, como jogos de futebol que são atualizadas em tempo real durante uma partida, ou de forma síncrona, como em um jogo baseado em turnos que cada jogador espera sua vez de jogar [9]. Diferente dos outros jogos multiplayer, os MMOs suportam milhares de jogadores compartilhando o ambiente virtual ao mesmo tempo, onde este ambiente é uma simulação que continua funcionando com jogadores ativos ou não [11]. Neste conceito temos alguns gêneros que atualmente utilizam o formato de MMOs, como o Role Playing Games (RPG), com World of Warcraft [12], Real-Time Strategy (RTS), com Starcraft 2 [13], First-Person Shooter (FPS), com Battlefield 4 [14] e Multiplayer Online Battle Arena (MOBA) com League of Legends [15].

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29 27 3 PROBLEMAS DE REDE EM JOGOS MMO O desenvolvimento de um MMO gera alguns desafios, existem diversos MMOs no mercado e todos possuem problemas de rede. Esses problemas são difíceis de ser trabalhados e podem causar o abandono dos jogadores. A seguir veremos alguns problemas de rede típicos de MMOs. 3.1 Inconsistência Um dos maiores desafios de se desenvolver um MMO é manter a consistência entre os usuários devido a grande quantidade de jogadores [11]. A consistência é um estado coerente, sólido, ou seja, que mantém uma sincronia. Em um ambiente virtual distribuído ideal, a simulação deve-se manter igual em todas as máquinas observadas [7]. Para isso existe, um servidor precisaria de controlar todas as operações e transmitilas para os demais, o que é chamado de server-side simulation, mas, isso acarretaria uma imensa quantidade de dados pela rede, não sendo viável [7]. O que se faz hoje é transmitir apenas informações básicas, e o cliente executa os cálculos de atualização que é chamado de client-side simulation [7], por exemplo, se uma nave efetuar um disparo apenas sua posição deverá ser enviada, as próximas posições são calculadas pelos clientes. 3.2 Largura de Banda A largura de banda é a quantidade de dados que a rede suporta trafegar em um período tempo específico [11]. Ela poder ser limitada por diversos fatores, como, a conexão do usuário e o Provedor de Serviço de Internet o PSI, problemas na infraestrutura de hardware e software do PSI, congestionamento do tráfego, entre outros, [11] causando a limitação do tráfego de dados necessário para o andamento jogo, causando travamentos ou até teletransporte do personagem. O que pode ajudar nesse caso sendo observado na hora da implementação é diminuir o tamanho dos pacotes envidados pela rede ou reduzir sua atualização[7]. 3.3 Perda de pacotes Outro problema relevante em MMOs é a perda de pacotes enviados pela rede, principalmente quando não se tem uma conexão de qualidade. Isso também a se deve

30 28 ao fato dos jogos utilizarem o protocolo UDP (User Datagram Protocol) para agilizar a comunicação, o único problema é que ela não é confiável [7]. A perda de pacotes pode causar uma falta de suavidade na movimentação como, como movimentos em pulos e o teletransporte do personagem em pontos mais próximos dentro da simulação. 3.4 Técnicas para amenizar problemas de rede Em jogos de MMO a comunicação entre as aplicações conectadas é importante para manter a consistência do jogo, mas, com a quantidade de usuários simultâneos, a incidência de dados transmitidos aumenta consideravelmente, e não é suportável. Assim existem técnicas que visam amenizar alguns problemas na comunicação diminuindo o trafego ou até mesmo prevendo posições de objetos Gerenciamento de área de interesse No mundo real não temos informações visuais de tudo ao nosso redor, não vemos através da parede ou ouvimos sons muito distantes, dessa maneira, se compararmos ao ambiente virtual em rede, podemos transmitir apenas as informações relevantes para o usuário dentro do jogo. Isso é chamado de área gerenciamento de interesse, ou seja, é o processo de determinar qual a informação é relevante para cada jogador [16]. Filtrando a informação relevante, se reduzir o consumo de rede, mantendo a interatividade adequada [11]. A figura 1 mostra área priorizada na atualização de rede em torno do veículo. Figura 1 Gerenciamento de interesse no jogo Battlefield 4 [1] O gerenciamento de interesse pode ser comparado ao modelo de publish/subscribe. O editor, ou publisher, produz eventos e os assinantes, ou subscribers, consomem os eventos. Comparando ao gerenciamento de interesse, um método descobre os editores e assinantes para fazer suas atualizações [16]. Geralmente o gerenciamento de interesse pode ser encontrado em dois esquemas, o baseado no espaço, que é relacionado a posição do objeto no mundo virtual e o baseado na classe onde é relacionado aos atributos do objeto [16].

31 29 Podemos utilizar um modelo para representar o gerenciamento de interesse baseado no espaço, o aura-nimbus. A aura representa a área de presença de um objeto no espaço e a nimbus é a área que o objeto pode perceber outros objetos [16]. Os dois são círculos ao redor o objeto e se reconhecem ao se intersectar que podemos observar na figura 2. Figura 2 Representação do modelo aura-nimbus [2] Pode-se ainda utilizar um esquema baseado em região, onde a área de interesse é fixa em uma região [16]. Apesar de ser mais barata que o modelo de aura-nimbus convencional, é preciso se adequar dependendo a aplicação Dead Reckoning Uma segunda maneira de melhorar a sincronização da rede é o dead deckoning. Quando uma aplicação envia um pacote com informações ele possibilita o uso de um algorítimo de dead reckoning para prever a movimentação dessa unidade. Assim cada aplicação poderá prever a posição dos outros elementos, mas deverá monitorar a sua para não gerar discrepâncias [7]. Temos como exemplo a figura 3, uma corrida onde os carros estão próximos, o atraso causado pela rede nas aplicações, causa a impressão que os dois jogadores estão ganhando a corrida. Para a previsão, é possível utilizar dois métodos, a previsão por posição, onde utiliza-se a posições atuais e anteriores do objeto para prever as posições futuras, podendo prever retas e curvas, e a previsão de um evento de entrada, é utilizada os comandos de entrada (joysticks, teclado, mouse, etc.) do jogador para prever seu comportamento [3]. Além de diminuir o tráfego da rede o jogo será mais tolerante a lags, tornandose mais fluente, porém, é importante considerar que o aumento do processamento pode acarretar em uma sobrecarga [7].

32 30 Figura 3 Exemplo de inconsistência causada pela rede [3] Compressão de pacotes Ainda pode-se usar técnicas de compressão dos pacotes enviados na rede, ou agregar a informação enviada em uma mensagem diminuindo o fluxo da rede, ou seja, o uso da banda, mas aumentando o uso computacional [17].

33 31 4 ARQUITETURAS PARA JOGOS MMO A rede é parte importante na jogabilidade de um MMO, pois com muitos problemas de rede um jogo pode ficar impraticável. Enquanto na plataforma física não há muito o que se fazer além da atualização do hardware, porém na plataforma lógica que é baseada na física e escolhas influenciam de forma crucial em um MMO, como a escolha da arquitetura, ela define as conexões lógicas entre os nós de uma rede [8]. Algumas das arquiteturas mais utilizadas são cliente/servidor e peer-to-peer. Na cliente/servidor, um cliente envia uma mensagem para o servidor e ele se encarrega de repassar para os demais clientes [7]. Sua lógica é simples de ser implementada, mas o principal problema neste tipo de abordagem e a quantidade de conexões, autenticações e gerenciamento, que causa sobrecarga ao servidor. Além disso, devido a natureza centralizada, caso aconteça alguma falha na estação servidora, pode derrubar o servidor, impossibilitando seu acesso [11]. A arquitetura peer-to-peer, é formada por um conjunto de nós iguais que são interligados, distribuindo seus estados entre si. Todo o processamento é feito em cada peer. Uma de suas vantagens é a descentralização, caso um peer não responda, não causará problemas a outros peers. Porém existem algumas questões para a implementação, como a consistência do estado do jogo, comunicação entre os jogadores, garantir a autenticidade e segurança dos dados de cada jogador, entre outros [11]. As arquiteturas acima podem possuir algumas alterações, como, cliente-servidor com cluster, contornando limitações de hardware, por possuir vários servidores físicos [6]; ou até mesmo uma arquitetura híbrida, com salas de partidas formadas por peer-topeer, enviando seu estado e coordenadas para um servidor web [7]. Neste caso o servidor seria menos sobrecarregado, pois muito do processamento seria feito pelos clientes, uma sub-rede peer-to-peer, porém, dependendo da aplicação é difícil de manter a sincronia do ambiente virtual entre as sub-redes em peer-to-peer.

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35 33 5 UNITY Para o desenvolvimento de um jogo existem ferramentas que podem auxiliar e acelerar o este processo, são chamadas de engine (ou motor) do jogo. Como um exemplo temos o Unity, que é uma engine poderosa com uma variedade de ferramentas que podem ser utilizadas para necessidades específicas, que abrangem todo o desenvolvimento de um jogo [18]. Ela possui uma série de funcionalidades, como, shaders programáveis, sistema de simulação de física, programação de scripts, importação de modelos, áudio e imagens, editor de cenas, o que auxiliará em atividades repetitivas, que acelerará desenvolvimento [19], além de possuir uma loja de assets com recursos gratuitos interessantes, como sons, modelos de objetos, que podem ser aproveitados [20]. 5.1 Unet Uma ótima funcionalidade do Unity é a Unet, ela é uma API de alto nível para a criação de jogos em rede, permitindo uma implementação facilitada de jogos cliente/servidor, contento uma série de componentes para o desenvolvimento como, auxiliar de conexão com opções para cada aplicação, sincronia de objetos, instanciar objetos nas aplicações conectadas, entre outros [4]. A Unet utiliza uma conexão cliente/servidor permitindo três opções para aplicação, host, a aplicação é servidor e cliente ao mesmo tempo, servidor, a aplicação é apenas servidor não pode ser jogada apenas conectada, e cliente, para jogar precisa de um servidor para se conectar. Figura 4 Diagrama de aplicação como host [4] Quando uma aplicação é conectada, o componente do Unet, NetworkManager, que controla a conexão também controla o objeto do jogador que será instanciado [4]. Assim ao instanciar um jogador em sua aplicação é criado réplicas nos clientes conectados e no

36 34 servidor. Apesar disso aquém possui a autoridade ao objeto é a aplicação que a instanciou, assim o movimento feito pelo jogador será replicado pelos clientes conectados. O mesmo acontece com outros objetos como controlados pelo servidor. Figura 5 Diagrama de réplicas do jogador [4]. Figura 6 Diagrama de réplicas de um objeto controlado pelo servidor [4].

37 6 DESENVOLVIMENTO DO JOGO 35

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39 7 RESULTADOS 37

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41 39 8 CONCLUSÃO...

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43 41 REFERÊNCIAS [1] LUCIANO, B. Nova grande atualização para Battlefield 4 está disponível, saiba o que mudou! Battlefield Brasil. Disponível em: < com/2015/03/nova-grande-atualizacao-para.html>. Acesso em: [2] AHMED, D. T.; SHIRMOHAMMADI, S. A dynamic area of interest management and collaboration model for p2p mmogs. In: IEEE COMPUTER SOCIETY. Proceedings of the th IEEE/ACM International Symposium on Distributed Simulation and Real-Time Applications. [S.l.], p [3] PANTEL, L.; WOLF, L. C. On the suitability of dead reckoning schemes for games. In: ACM. Proceedings of the 1st workshop on Network and system support for games. [S.l.], p [4] UNITY. Network System Concepts Unity. Disponível em: <http: //docs.unity3d.com/manual/unetconcepts.html>. Acesso em: [5] NEWZOO. Global Games Market Report Infographics Newzoo. Disponível em: < >. Acesso em: [6] NEWZOO. Pc/mmo gaming revenues to total 24.4 billion in Newzoo. Disponível em: < infographic-pcmmo-gaming-revenues-to-total-24-4bn-in-2014/>. Acesso em: [7] KOZOVITS, L. E.; FEIJÓ, B. Arquitetura para jogos massive multiplayer. [S.l.]: PUC, [8] SMED, J.; KAUKORANTA, T.; HAKONEN, H. A review on networking and multiplayer computer games. [S.l.]: Citeseer, [9] CECIN, F. R. Freemmg: uma arquitetura cliente-servidor e par-a-par de suporte a jogos maciçamente distribuídos [10] COSTA, R. G. L. Arquitetura para servidores de jogos online massivamente multiplayer [11] ALI, A. F.; ISMAIL, A. S.; BADE, A. An overview of networking infrastructure for massively multiplayer online games [12] BLIZZARD. Starcraft Blizzard. Disponível em: < pt/>. Acesso em: [13] BLIZZARD. World of Warcraft Blizzard. Disponível em: <http: //us.battle.net/sc2/pt/>. Acesso em: [14] DICE. Battlefield Dice. Disponível em: < battlefield-4>. Acesso em:

44 42 [15] GAMES, R. League of Legends Riot Games. Disponível em: <http: //br.leagueoflegends.com/>. Acesso em: [16] BOULANGER, J.-S.; KIENZLE, J.; VERBRUGGE, C. Comparing interest management algorithms for massively multiplayer games. In: ACM. Proceedings of 5th ACM SIGCOMM workshop on Network and system support for games. [S.l.], p. 6. [17] SMED, J.; KAUKORANTA, T.; HAKONEN, H. Aspects of networking in multiplayer computer games. The Electronic Library, MCB UP Ltd, v. 20, n. 2, p , [18] UNITY. Unity Documentaion Unity. Disponível em: < com/manual/index.html>. Acesso em: [19] PASSOS, E. B. et al. Tutorial: Desenvolvimento de jogos com unity 3d. In: VIII Brazilian Symposium on Games and Digital Entertainment. [S.l.: s.n.], p [20] UNITY. Unity Asset Store Unity. Disponível em: < unity3d.com/en/>. Acesso em:

45 Apêndices

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47 APÊNDICE A EXEMPLO 45