چرخه تطبیق سرور و اصلاح سمت کلاینت: پیش‌بینی سمت کلاینت چگونه تاخیر بازی‌های آنلاین را پنهان می‌کند؟

وقتی در یک بازی چندنفره با سرعت ۶۰ فریم بر ثانیه کلید جهت راست را فشار می‌دهید، سیستم شما انتظار دارد حرکت کاراکتر را در عرض ۱۶ میلی‌ثانیه روی صفحه رندر کند. اما در یک محیط شبکه‌ای، این دستور فیزیکی باید از طریق اینترنت به یک سرور راه دور سفر کند و برگردد تا تایید شود. اگر پینگ شما ۱۰۰ میلی‌ثانیه باشد، انتظار برای تایید حرکت توسط سرور، یک تاخیر رفت‌وبرگشت ۲۰۰ میلی‌ثانیه‌ای ایجاد می‌کند. در سبک‌های پرسرعتی مثل شوتر اول‌شخص یا شبیه‌سازهای مسابقه‌ای، یک‌پنجم ثانیه تاخیر در دریافت دستور، بازی را کاملا غیرقابل‌بازی کرده و ارتباط بازیکن را با جریان اکشن قطع می‌کند.

ریشه این تاخیر در ضرورت حیاتی معماری «سرور مرجع» نهفته است. برای جلوگیری از تقلب بازیکنان خرابکار - مثل تلپورت کردن در نقشه، شلیک از پشت دیوارهای بتنی یا دادن جان بی‌نهایت به خود - طراحی بازی‌های مدرن دیکته می‌کند که نمی‌توان به کلاینت‌های فردی برای گزارش واقعیتِ خودشان اعتماد کرد. همان‌طور که گابریل گامبتا، مهندس نرم‌افزار، اشاره می‌کند: «تنها مرجع و قدرت مطلق در مورد هر اتفاقی که در دنیای بازی می‌افتد، سرور است» [۱]. سرور دستورات را از همه بازیکنان دریافت می‌کند، شبیه‌سازی مرکزی فیزیک را اجرا می‌کند، تداخل‌ها را برطرف کرده و در نهایت، وضعیت واقعی و تاییدشده بازی را برای تمام کلاینت‌های متصل پخش می‌کند.[1]

اگر کلاینت‌ها صرفا پایانه‌های «خنگی» باشند که فقط دستورات سرور را رندر می‌کنند، تاخیر حاصل از آن اجتناب‌ناپذیر و به‌شدت کلافه‌کننده خواهد بود. برای حل این مشکل بنیادین فیزیک، توسعه‌دهندگان از تکنیکی به نام «پیش‌بینی سمت کلاینت» استفاده می‌کنند. این روش که اولین بار در ژانویه ۱۹۹۶ با نسخه اشتراک‌افزار بازی Duke Nukem 3D به ژانر شوتر اول‌شخص معرفی شد، به سیستم محلی اجازه می‌دهد تا با حدس زدن نتیجه دستورات خود پیش از آنکه سرور فرصت دخالت پیدا کند، تاخیر شبکه را کاملا دور بزند [۴]. این مدل پیش‌بینی، مهندسی بازی‌های آنلاین را از اساس متحول کرد.[4]

زک سینیسی، برنامه‌نویس شبکه، توضیح می‌دهد: «پیش‌بینی سمت کلاینت در اصل یعنی بازیکن دستوری می‌دهد و سیستم بدون انتظار برای دریافت آن توسط سرور، حرکت را رو به جلو شبیه‌سازی می‌کند: اکشن فوری و واکنش فوری» [۲]. وقتی بازیکن کلیدی را فشار می‌دهد، کلاینت بلافاصله کاراکتر را به صورت محلی حرکت می‌دهد، با این فرض که سرور در نهایت دستور را پردازش کرده و دقیقا به همان موقعیت می‌رسد. با جدا کردن رندر بصری از تاییدیه شبکه، بازی به اندازه یک تجربه آفلاین تک‌نفره روان و پاسخگو احساس می‌شود و تاخیر زیرین شبکه را کاملا از دید کاربر پنهان می‌کند.[2]

از آنجا که موتورهای فیزیک بازی‌های مدرن تا حد زیادی قطعی هستند، این پیش‌بینی محلی معمولا کاملا درست از آب درمی‌آید. کلاینت تاریخچه‌ای پیوسته از تمام دستوراتی که به سرور فرستاده را با یک شناسه ترتیبی نگه می‌دارد. تا زمانی که کلاینت و سرور دقیقا در حال اجرای یک شبیه‌سازی فیزیک با متغیرهای کاملا یکسان باشند، بازیکن محلی هیچ تاخیری را حس نمی‌کند. کاراکتر دقیقا با فشردن دکمه حرکت می‌کند و سرور چند میلی‌ثانیه بعد، بدون اینکه جریان بازی را قطع کند، بی‌سروصدا آن حرکت را تایید می‌کند.

با این حال، وقتی کلاینت و سرور بر سر وضعیت دنیای بازی به اختلاف می‌خورند، این توهم به‌سرعت در هم می‌شکند. اگر یک بسته شبکه در مسیر گم شود، یا اگر بازیکن دیگری پیش از پردازش حرکت توسط سرور با کاراکتر شما برخورد کند، وضعیت پیش‌بینی‌شده کلاینت از واقعیت مرجع سرور فاصله می‌گیرد. اگر این عدم همگام‌سازی اصلاح نشود، فریم به فریم روی هم انباشته می‌شود تا جایی که بازیکن محلی کاملا از مسابقه واقعی جدا شده، به دشمنانی شلیک می‌کند که دیگر آنجا نیستند و به دیوارهای نامرئی برخورد می‌کند.

برای حفظ نظم و جلوگیری از این انحراف، موتور بازی به یک چرخه پیوسته و پرسرعت از «تطبیق سرور» متکی است. بر اساس مستندات جامعه توسعه‌دهندگان ولو درباره موتور سورس: «سرور با نرخی ثابت از وضعیت فعلی جهان اسنپ‌شات می‌گیرد و این اسنپ‌شات‌ها را برای کلاینت‌ها پخش می‌کند» [۵]. این اسنپ‌شات‌ها حاوی موقعیت قطعی و غیرقابل‌انکار هر موجودیت در بازی، به همراه شماره توالی آخرین دستوری است که سرور با موفقیت از آن کلاینت خاص پردازش کرده است. این داده‌ها به عنوان یک نقطه اتکا برای واقعیت عمل می‌کنند.[5]

وقتی کلاینت یک اسنپ‌شات مرجع دریافت می‌کند، باید فورا واقعیت محلی خود را با حقیقت سرور تطبیق دهد. کلاینت وضعیت داخلی خود را به عقب برمی‌گرداند تا دقیقا با اسنپ‌شات سرور مطابقت پیدا کند. اما از آنجا که اسنپ‌شات نمایانگر گذشته است - به طور دقیق‌تر، وضعیت بازی در نیمی از زمان پینگِ پیش - کلاینت نمی‌تواند به همین جا بسنده کند. سپس باید تمام دستورات محلی ذخیره‌شده در بافر تاریخچه خود را که سرور هنگام تولید اسنپ‌شات هنوز پردازش نکرده بود، به‌سرعت بازپخش کند و چندین فریم را در کسری از میلی‌ثانیه شبیه‌سازی کند تا دوباره به زمان حال برسد [۳].[3]

این چرخه عقب‌گرد و بازپخش، به‌طور یکپارچه در پس‌زمینه اتفاق می‌افتد؛ اغلب ده‌ها بار در ثانیه بدون اینکه بازیکن هرگز متوجه شود. اگر وضعیت بازپخش‌شده با وضعیت پیش‌بینی‌شده فعلی کلاینت مطابقت داشته باشد، بازیکن هیچ‌چیز حس نمی‌کند؛ پیش‌بینی بی‌نقص بوده است. اما اگر اسنپ‌شات سرور مغایرتی را نشان دهد - مثلا بازیکن در اثر انفجاری که هنوز ندیده به عقب پرتاب شده باشد - موقعیت محاسبه‌شده جدید کلاینت با جایی که کاراکتر در حال حاضر روی مانیتور رندر شده متفاوت خواهد بود. این مغایرت، موتور بازی را مجبور می‌کند تا برای اصلاح خطا بدون نابود کردن تجربه بازیکن، دست به انتخابی دشوار بزند.

پرش ناگهانی کاراکتر به موقعیت اصلاح‌شده، یک خطای بصری آزاردهنده ایجاد می‌کند که معمولا به عنوان «رابر بندینگ» شناخته می‌شود؛ جایی که به نظر می‌رسد بازیکن با شدت به عقب یا پهلو تلپورت می‌شود. برای کاهش این اثر گیج‌کننده، موتورها از الگوریتم‌های هموارسازی پیچیده‌ای استفاده می‌کنند. به جای یک پرش خشن به مختصات واقعی، کلاینت موقعیت کاراکتر را در چند فریم بعدی درون‌یابی می‌کند و آن‌ها را به‌آرامی به سمت موقعیت مرجع سرور سُر می‌دهد؛ طوری که به جای یک گلیچ، شبیه به یک تنه فیزیکی خفیف احساس شود [۴].[4]

فرکانس کل این چرخه پیش‌بینی، توسط تیک‌ریت سرور کنترل می‌شود. سروری که با ۶۴ تیک بر ثانیه اجرا می‌شود - که پیش‌فرض تاریخی بسیاری از عناوین ولو است - شبیه‌سازی جهان را هر ۱۵٫۶ میلی‌ثانیه به‌روزرسانی می‌کند [۵]. تیک‌ریت‌های بالاتر، مانند سرورهای ۱۲۸ تیک که به‌شدت محبوب شوترهای تاکتیکی رقابتی هستند، زمان بین اسنپ‌شات‌ها را به تنها ۷٫۸ میلی‌ثانیه کاهش می‌دهند. این پنجره زمانی محدودتر، چرخه تطبیق را فشرده‌تر کرده، بزرگی خطاهای پیش‌بینی را به حداقل می‌رساند و تضمین می‌کند که واقعیتِ حدس‌زده‌شده توسط کلاینت هرگز از حقیقت سرور خیلی دور نشود.[5]

در حالی که پیش‌بینی سمت کلاینت حرکت بازیکن محلی را مدیریت می‌کند، یک سیستم موازی به نام «جبران لگ» تعاملات با سایر بازیکنان را کنترل می‌کند. از آنجا که هر کلاینت در حال پیش‌بینی حرکت خود و دریافت به‌روزرسانی‌های تاخیردار درباره دیگران است، بازیکنان در واقع به ارواحِ موقعیتِ گذشته حریفان خود شلیک می‌کنند. جبران لگ به سرور اجازه می‌دهد تا هیت‌باکس سایر بازیکنان را به عقب برگرداند تا دقیقا با آنچه تیرانداز در لحظه کشیدن ماشه روی صفحه خود دیده مطابقت داشته باشد؛ این کار تضمین می‌کند شلیکی که به صورت محلی دقیق به نظر می‌رسید، در سطح جهانی نیز پاداش داده شود [۵].[5]

این سیستم‌های به‌هم‌پیوسته در کنار هم، پایه و اساس نامرئی و بسیار پیچیده بازی‌های چندنفره آنلاین مدرن را تشکیل می‌دهند. آن‌ها در واقع تاخیر را از بین نمی‌برند، بلکه آن را پشت یک رقص درخشان از اجرای گمانه‌زنانه، بازبینی تاریخی و هموارسازی ریاضی پنهان می‌کنند [۶]. دفعه بعد که یک کاراکتر دیجیتالی با فشردن یک کلید فورا حرکت کرد، به این دلیل نیست که شبکه بی‌نهایت سریع است. به این دلیل است که کلاینت با موفقیت آینده را پیش‌بینی می‌کند و سرور بی‌سروصدا گذشته را تطبیق می‌دهد. همین تعادل ظریف بین اعتماد و مرجعیت است که گیمینگ رقابتی را در مقیاس جهانی امکان‌پذیر می‌کند.[6]