Erstellen sicherer und schneller Multiplayer-Spiele in Unity und NodeJS anhand von Beispielen

Einführung

Die Planung eines Ansatzes für die Entwicklung von Multiplayer-Spielen spielt eine der wichtigsten Rollen bei der Weiterentwicklung des gesamten Projekts, da sie viele Kriterien umfasst, die wir bei der Erstellung eines wirklich hochwertigen Produkts berücksichtigen sollten. Im heutigen Manifesto-Tutorial werden wir uns ein Beispiel für einen Ansatz ansehen, der es uns ermöglicht, wirklich schnelle Spiele zu erstellen und dabei alle Sicherheits- und Anti-Chit-Regeln zu respektieren.

Definieren wir also die Hauptkriterien für uns:

1. Multiplayer-Spiele erfordern einen besonderen Ansatz zur Verwaltung der Netzwerksynchronisierung, insbesondere wenn es um Echtzeit geht. Ein Binärprotokoll wird verwendet, um die Datensynchronisierung zwischen Clients zu beschleunigen, und reaktive Felder helfen dabei, Spielerpositionen mit minimaler Latenz und Speichereinsparungen zu aktualisieren.
2. Serverautorität ist ein wichtiges Prinzip, bei dem kritische Daten nur auf dem Server verarbeitet werden, um die Spielintegrität und den Schutz vor Cheatern zu gewährleisten. Damit wir jedoch die Leistung maximieren können, führt der Server nur kritische Updates durch und wir überlassen den Rest dem Client-Anti-Cheat.
3. Implementierung von Client-Anti-Chit, um weniger kritische Daten ohne zusätzliche Belastung des Servers zu verarbeiten.

Hauptbestandteile der Architektur

1. Client-Seite (Unity): Die Client-Seite ist dafür verantwortlich, den Spielstatus anzuzeigen, Spieleraktionen an den Server zu senden und Aktualisierungen vom Server zu empfangen. Reaktive Felder werden hier auch verwendet, um Spielerpositionen dynamisch zu aktualisieren.
2. Serverseite (Node.js): Der Server verarbeitet kritische Daten (z. B. Bewegungen, Kollisionen und Spieleraktionen) und sendet Aktualisierungen an alle verbundenen Clients. Unkritische Daten können auf dem Client verarbeitet und über den Server an andere Clients weitergeleitet werden.
3. Binärprotokoll:Binäre Datenserialisierung wird verwendet, um die übertragene Datenmenge zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
4. Synchronisierung: Eine schnelle Synchronisierung der Daten zwischen Clients wird bereitgestellt, um die Latenz zu minimieren und ein reibungsloses Gameplay zu gewährleisten.
5. Client Anti-Cheat: Wird für die Arten von Daten verwendet, die wir auf dem Client ändern und an andere Clients senden können.

Schritt 1: Implementierung des Servers in Node.js

Zuerst müssen Sie einen Server auf Node.js einrichten. Der Server ist für alle kritischen Berechnungen und die Übertragung aktualisierter Daten an die Spieler verantwortlich.

Installieren der Umgebung
Um einen Server auf Node.js zu erstellen, installieren Sie die erforderlichen Abhängigkeiten:

mkdir multiplayer-game-server
cd multiplayer-game-server
npm init -y
npm install socket.io

Socket.io erleichtert die Implementierung einer bidirektionalen Echtzeitkommunikation zwischen Clients und Server mithilfe von Web-Sockets.

Grundlegende Serverimplementierung
Erstellen wir einen einfachen Server, der Client-Verbindungen verwaltet, Daten abruft, kritische Zustände berechnet und diese zwischen allen Clients synchronisiert.

// Create a simple socket IO server
const io = require('socket.io')(3000, {
    cors: {
        origin: '*'
    }
});

// Simple example of game states
let gameState = {};
let playerSpeedConfig = {
    maxX: 1,
    maxY: 1,
    maxZ: 1
};

// Work with new connection
io.on('connection', (socket) => {
    console.log('Player connected:', socket.id);

    // Initialize player state for socket ID
    gameState[socket.id] = { x: 0, y: 0, z: 0 };

    // work with simple player command for movement
    socket.on('playerMove', (data) => {
        const { id, dx, dy, dz } = parsePlayerMove(data);

        // Check Maximal Values
        if(dx > playerSpeedConfig.maxX) dx = playerSpeedConfig.maxX;
        if(dy > playerSpeedConfig.maxY) dx = playerSpeedConfig.maxY;
        if(dz > playerSpeedConfig.maxZ) dx = playerSpeedConfig.maxZ;

        // update game state for current player
        gameState[id].x += dx;
        gameState[id].y += dy;
        gameState[id].z += dz;

        // Send new state for all clients
        const updatedData = serializeGameState(gameState);
        io.emit('gameStateUpdate', updatedData);
    });

    // Work with unsafe data
    socket.on('dataupdate', (data) => {
        const { id, unsafe } = parsePlayerUnsafe(data);

        // update game state for current player
        gameState[id].unsafeValue += unsafe;

        // Send new state for all clients
        const updatedData = serializeGameState(gameState);
        io.emit('gameStateUpdate', updatedData);
    });

    // Work with player disconnection
    socket.on('disconnect', () => {
        console.log('Player disconnected:', socket.id);
        delete gameState[socket.id];
    });
});

// Simple Parse our binary data
function parsePlayerMove(buffer) {
    const id = buffer.toString('utf8', 0, 16); // Player ID (16 bit)
    const dx = buffer.readFloatLE(16);         // Delta X
    const dy = buffer.readFloatLE(20);         // Delta  Y
    const dz = buffer.readFloatLE(24);         // Delta  Z
    return { id, dx, dy, dz };
}

// Simple Parse of unsafe data
function parsePlayerUnsafe(buffer) {
    const id = buffer.toString('utf8', 0, 16); // Player ID (16 bit)
    const unsafe = buffer.readFloatLE(16);     // Unsafe float
    return { id, unsafe };
}

// Simple game state serialization for binary protocol
function serializeGameState(gameState) {
    const buffers = [];
    for (const [id, data] of Object.entries(gameState)) {
        // Player ID
        const idBuffer = Buffer.from(id, 'utf8');

        // Position (critical) Buffer
        const posBuffer = Buffer.alloc(12);
        posBuffer.writeFloatLE(data.x, 0);
        posBuffer.writeFloatLE(data.y, 4);
        posBuffer.writeFloatLE(data.z, 8);

        // Unsafe Data Buffer
        const unsafeBuffer = Buffer.alloc(4);
        unsafeBuffer.writeFloatLE(data.unsafeValue, 0);

        // Join all buffers
        buffers.push(Buffer.concat([idBuffer, posBuffer, unsafeBuffer]));
    }
    return Buffer.concat(buffers);
}

Dieser Server führt Folgendes aus:

1. verarbeitet Clientverbindungen.
2. Empfangt Spielerbewegungsdaten im Binärformat, validiert sie, aktualisiert den Status auf dem Server und sendet ihn an alle Clients.
3. Synchronisiert den Spielstatus mit minimaler Latenz und verwendet das Binärformat, um die Datenmenge zu reduzieren.
4. Leitet unsichere Daten, die vom Client stammen, einfach weiter.

Wichtige Punkte:

1. Serverautorität:Alle wichtigen Daten werden auf dem Server verarbeitet und gespeichert. Clients senden nur Aktionsbefehle (z. B. Positionsänderungsdeltas).
2. Binäre Datenübertragung: Die Verwendung eines Binärprotokolls spart Datenverkehr und verbessert die Netzwerkleistung, insbesondere bei häufigem Echtzeit-Datenaustausch.

Schritt 2: Implementierung des Client-Teils auf Unity

Jetzt erstellen wir einen Client-Teil auf Unity, der mit dem Server interagiert.

Um Unity mit einem Server auf Socket.IO zu verbinden, müssen Sie eine Bibliothek verbinden, die für Unity entwickelt wurde.
In diesem Fall sind wir nicht an eine bestimmte Implementierung gebunden (tatsächlich sind sie alle ähnlich), sondern verwenden einfach ein abstraktes Beispiel.

Using reactive fields for synchronization
We will use reactive fields to update player positions. This will allow us to update states without having to check the data in each frame via the Update() method. Reactive fields automatically update the visual representation of objects in the game when the state of the data changes.

To get a reactive properties functional you can use UniRx.

Client code on Unity
Let's create a script that will connect to the server, send data and receive updates via reactive fields.

using UnityEngine;
using SocketIOClient;
using UniRx;
using System;
using System.Text;

// Basic Game Client Implementation
public class GameClient : MonoBehaviour
{
    // SocketIO Based Client
    private SocketIO client;

    // Our Player Reactive Position
    public ReactiveProperty<Vector3> playerPosition = new ReactiveProperty<Vector3>(Vector3.zero);

    // Client Initialization
    private void Start()
    {
        // Connect to our server
        client = new SocketIO("http://localhost:3000");

        // Add Client Events
        client.OnConnected += OnConnected;    // On Connected
        client.On("gameStateUpdate", OnGameStateUpdate); // On Game State Changed

        // Connect to Socket Async
        client.ConnectAsync();

        // Subscribe to our player position changed
        playerPosition.Subscribe(newPosition => {
            // Here you can interpolate your position instead
            // to get smooth movement at large ping
            transform.position = newPosition;
        });

        // Add Movement Commands
        Observable.EveryUpdate().Where(_ => Input.GetKey(KeyCode.W)).Subscribe(_ => ProcessInput(true));
        Observable.EveryUpdate().Where(_ => Input.GetKey(KeyCode.S)).Subscribe(_ => ProcessInput(false));
    }

    // On Player Connected
    private async void OnConnected(object sender, EventArgs e)
    {
        Debug.Log("Connected to server!");
    }

    // On Game State Update
    private void OnGameStateUpdate(SocketIOResponse response)
    {
        // Get our binary data
        byte[] data = response.GetValue<byte[]>();

        // Work with binary data
        int offset = 0;
        while (offset < data.Length)
        {
            // Get Player ID
            string playerId = Encoding.UTF8.GetString(data, offset, 16);
            offset += 16;

            // Get Player Position
            float x = BitConverter.ToSingle(data, offset);
            float y = BitConverter.ToSingle(data, offset + 4);
            float z = BitConverter.ToSingle(data, offset + 8);
            offset += 12;

            // Get Player unsafe variable
            float unsafeVariable = BitConverter.ToSingle(data, offset);

            // Check if it's our player position
            if (playerId == client.Id)
                playerPosition.Value = new Vector3(x, y, z);
            else
                UpdateOtherPlayerPosition(playerId, new Vector3(x, y, z), unsafeVariable);
        }
    }

    // Process player input
    private void ProcessInput(bool isForward){
        if (isForward)
            SendMoveData(new Vector3(0, 0, 1)); // Move Forward
        else
            SendMoveData(new Vector3(0, 0, -1)); // Move Backward
    }

    // Send Movement Data
    private async void SendMoveData(Vector3 delta)
    {
        byte[] data = new byte[28];
        Encoding.UTF8.GetBytes(client.Id).CopyTo(data, 0);
        BitConverter.GetBytes(delta.x).CopyTo(data, 16);
        BitConverter.GetBytes(delta.y).CopyTo(data, 20);
        BitConverter.GetBytes(delta.z).CopyTo(data, 24);

        await client.EmitAsync("playerMove", data);
    }

    // Send any unsafe data
    private async void SendUnsafeData(float unsafeData){
        byte[] data = new byte[20];
        Encoding.UTF8.GetBytes(client.Id).CopyTo(data, 0);
        BitConverter.GetBytes(unsafeData).CopyTo(data, 16);
        await client.EmitAsync("dataUpdate", data);
    }

    // Update Other players position
    private void UpdateOtherPlayerPosition(string playerId, Vector3 newPosition, float unsafeVariable)
    {
        // Here we can update other player positions and variables
    }

    // On Client Object Destroyed
    private void OnDestroy()
    {
        client.DisconnectAsync();
    }
}

Step 3: Optimize synchronization and performance

To ensure smooth gameplay and minimize latency during synchronization, it is recommended:

1. Use interpolation: Clients can use interpolation to smooth out movements between updates from the server. This compensates for small network delays.
2. Batch data sending: Instead of sending data on a per-move basis, use batch sending. For example, send updates every few milliseconds, which will reduce network load.
3. Reduce the frequency of updates: Reduce the frequency of sending data to a reasonable minimum. For example, updating 20-30 times per second may be sufficient for most games.

How to simplify working with the binary protocol?

In order to simplify your work with a binary protocol - create a basic principle of data processing, as well as schemes of interaction with it.

For our example, we can take a basic protocol where:
1) The first 4 bits are the maxa of the request the user is making (e.g. 0 - move player, 1 - shoot, etc.);
2) The next 16 bits are the ID of our client.
3) Next we fill in the data that is passed through the loop (some Net Variables), where we store the ID of the variable, the size of the offset in bytes to the beginning of the next variable, the type of the variable and its value.

For the convenience of version and data control - we can create a client-server communication schema in a convenient format (JSON / XML) and download it once from the server to further parse our binary data according to this schema for the required version of our API.

Client Anti-Cheat

It doesn't make sense to process every data on the server, some of them are easier to modify on the client side and just send to other clients.

To make you a bit more secure in this scheme - you can use client-side anti-chit system to prevent memory hacks - for example, my GameShield - a free open source solution.

Conclusion

We took a simple example of developing a multiplayer game on Unity with a Node.js server, where all critical data is handled on the server to ensure the integrity of the game. Using a binary protocol to transfer data helps optimize traffic, and reactive programming in Unity makes it easy to synchronize client state without having to use the Update() method.

This approach not only improves game performance, but also increases protection against cheating by ensuring that all key calculations are performed on the server rather than the client.

And of course, as always thank you for reading the article. If you still have any questions or need help in organizing your architecture for multiplayer project - I invite you to my Discord

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