Entwurf und Implementierung einer Middleware für mobile MMOGs


Diplomarbeit, 2005

100 Seiten, Note: 1,7

Michael Schran (Autor)


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Motivation
1.2. Aufgabenstellung
1.3. Aufbau der Arbeit

2. Multiplayerspiele im Desktop- und Konsolenbereich
2.1. Allgemeine Computerspiel-Genres
2.1.1. Actionspiele
2.1.2. Strategiespiele
2.1.3. Abenteuerspiele / Adventures
2.1.4. Simulationen
2.1.5. Sport- und Rennspiele
2.2. Multiplayer-Spiele
2.2.1. Technische Realisierungen für Multiplayer-Umgebungen
2.2.2. Populäre Multiplayer-Genres
2.3. Einführung in den MMOG-Bereich
2.3.1. Netzwerkstrukturen
2.3.2. Beeinflussung der Spielbarkeit
2.3.3. Fallbeispiel: World of WarCraft

3. Mobile Netzwerke
3.1. Übertragungstechniken
3.1.1. Bluetooth (802.15)
3.1.2. Wireless LAN (802.11)
3.1.3. GSM und GPRS
3.1.4. UMTS
3.1.5. WMAN (802.16)
3.2. Beeinflussung drahtloser Kommunikation
3.2.1. Netzauslastung und Zellatmung
3.2.2. Ausbreitung der Funksignale
3.3. Eignung drahtloser Übertragungstechniken für mobile Spiele
3.4. Einführung in Standortbasierte Dienste
3.4.1. Global Positioning System (GPS)
3.4.2. Netzwerk-basierte Positionsbestimmung
3.4.3. Assisted GPS (A-GPS)
3.4.4. Weitere Ansätze

4. Verwandte Arbeiten
4.1. Mobile MMOGs
4.1.1. TibiaME
4.1.2. Undercover 2: Merc Wars
4.2. Middleware für mobile Umgebungen
4.2.1. GASP - Gaming Service Platform

5. Entwurf und Implementierung der Middleware
5.1. Middlewarekonzepte
5.2. Middleware für MMOGs
5.2.1. Vorteile
5.2.2. Anforderungen
5.3. Design- und Implementierungskriterien
5.3.1. Gaming-Schnittstelle
5.3.2. Netzwerk-Schnittstelle
5.3.3. Programmiersprache
5.4. Entwurf und Implementierung
5.4.1. Struktur
5.4.2. Nachrichtensystem
5.4.3. Gesamtübersicht
5.4.4. Area of Interest
5.4.5. Flooding Algorithmus
5.5. Implementierung in eine Anwendung

6. Evaluierung und Test
6.1. Testumgebung und Vorgehensweise
6.2. Verhalten des Flooding Algorithmus
6.2.1. Erwarteter Versuchsausgang
6.2.2. Versuchsausgang und Auswertung
6.3. Einfluss der „Area of Interest“
6.3.1. Erwarteter Versuchsausgang
6.3.2. Versuchsausgang

7. Zusammenfassung und Ausblick
7.1. Gaming-Architekturen
7.2. I/O Multiplexing
7.3. Umsetzen eines Clients auf J2ME
7.4. Location based Services
7.5. Weitere mögliche Funktionen

Verwendete Hilfsmittel

Quellennachweis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

“Eine gute Theorie ist das Praktischste was es gibt.”

- Gustav Robert Kirchhoff, deutscher Physiker

1.1. Motivation

Der Computerspielemarkt hat in den vergangenen Jahren einen riesigen „Boom“ erfahren, der mittlerweile zum Beispiel in Deutschland sogar die Umsatzzahlen der Filmindustrie in den Schatten stellt [diepresse04]. Insbesondere Multiplayerspiele mit wenigen bis zu mehreren tausend Mitspielern (MMOGs) sind sehr populär geworden. Mit der stark gestiegenen Verbreitung mobiler Endgeräte ist auch die Nachfrage nach Spielen auf solchen Geräten immer größer geworden. Verfolgt man den Trend auf Desktop-Computern und Spielekonsolen, so werden MMOGs künftig auch im mobilen Spielesektor von großem Interesse sein.

Im Mobilbereich bietet sich insbesondere die Möglichkeit des so genannten „Pervasive Gamings“[1], also Spiele, die durch die gegebene Mobilität der Endgeräte die reale Welt in die virtuelle Spielwelt mit einbeziehen. In diesem Zusammenhang sind ortsbezogene Dienste (LBS) von besonderem Interesse für künftige mobile Multiplayerspiele. Insbesondere ist dies für VE (Virtual Environments) und kurzzeitiges Spielen (z.B. auf dem Weg zu Arbeit) ein immer weiter wachsender Markt.

Während bei mobilen Computerspielen bisher technische Größen wie Speicher-, Video- und Rechenleistung limitierende Faktoren bei Nachahmungen erfolgreicher Computerspiele waren, ergeben sich bei mobilen Multiplayerspielen vor allem Probleme durch zugrunde liegende Netzwerkstrukturen, die Funktionen des Spiels entscheidend beeinflussen. Die Entwicklung eines jeden Multiplayerspiels muss sich folglich mit den Möglichkeiten und Begrenzungen der verschiedenen mobilen Netzwerkstrukturen und der Verwaltung der vielen tausend Spieler auseinandersetzen.

Eine einheitliche Plattform für den Zugang und die Nutzung der Netzstrukturen, aber auch die Verwaltung der gesamten MMOG-Umgebung stellt eine sinnvolle Lösung für Entwickler mobiler Mehrbenutzerspiele dar, die sich dadurch fast ausschließlich auf die Implementierung des Spielkonzepts konzentrieren können. Der Entwurf einer solchen Middleware erlaubt die einfache Verwaltung und Kontrolle von Funktion und Sicherheit verschiedener für mobile Mehrbenutzerspiele in Frage kommender Netzwerkstrukturen. Sie ermöglicht die Zusammenführung und Abstraktion der Parteien Programmierer, Spiele- software, Netzwerk und Netzwerkbetreiber unter Einhaltung der gegenseitig geforderten Funktionsansprüche.

Da die Anzahl der bisher veröffentlichten mobilen Multiplayerspiele noch stark begrenzt ist und dieser Marktsektor noch in Kinderschuhen steckt, ist dem Entwurf und insbesondere der Implementierung einer solchen Middleware für MMOGs auf mobilen Endgeräten bisher nur wenig Beachtung geschenkt worden.

1.2. Aufgabenstellung

Eine Middleware für mobile Endgeräte, die Funktionen der Schnittstelle zum Netzwerk realisiert, als auch Datenverwaltung eines Spiels für mehrere tausend Spieler unterstützt, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit entworfen und in grundsätzlichen Strukturen implementiert.

Die Implementierung umfasst dabei im Wesentlichen:

- Abstraktion von der Netzwerkschnittstelle durch ein entsprechendes Nachrichtensystem
- Bereitstellung diverser Methoden zur lokalen Verwaltung der Spieldaten einer MMOG-Umgebung
- Entwurf zusätzlicher Schnittstellen für spätere Erweiterungen

Die Middleware wird dabei in Java implementiert, um später Umsetzungen für verschiedene mobile Plattformen, die beispielsweise J2ME unterstützen, leicht realisieren zu können. Dies ist insbesondere von großer Relevanz, da im mobilen Sektor durch die J2ME Umgebung zum ersten mal ein gemeinsamer Standard versucht wird zu schaffen, auf dessen Grundlage allgemeine Spielentwicklung möglich ist.

Unabhängig von der Implementierung werden ortsbezogene Dienste für künftige Mehrbenutzerspiele im Bereich des „Pervasive Gamings“ betrachtet, die eine mögliche Erweiterung des mobilen Middlewarekonzepts in späteren Versionen sein können.

1.3. Aufbau der Arbeit

Kapitel 2 gewährt zuerst einen Einblick in den Multiplayer-Bereich in nicht-mobilen Umgebungen. Dazu werden allgemein Computerspiel-Genres betrachtet, bevor der Übergang zu Multiplayer-Spielen erfolgt, dessen technische Realisierungen vorgestellt werden. Der dritte Teil des Kapitels leitet schließlich in den MMOG-Bereich über und präsentiert mögliche Netzwerkstrukturen und damit verbundene Faktoren, die die Spielbarkeit beeinflussen können. Abschließend wird exemplarisch ein MMOG-Spiel aus dem Desktop-Bereich betrachtet.

Im dritten Kapitel werden mobile Netzwerke untersucht. Aktuelle und künftige mobile Übertragungstechniken werden vorgestellt. Da mobile Systeme hauptsächlich in drahtlosen Umgebungen genutzt werden, ergeben sich weitere Faktoren, die eine Übertragung beeinflussen und erschweren. Diese Faktoren werden analysiert, und es wird auf die Eignung mobiler Umgebungen für MMOGs eingegangen. Als weiteres Thema dieser Diplomarbeit werden Techniken, die Standort basierte Dienste ermöglichen, diskutiert.

Das vierte Kapitel stellt die bisher noch seltenen Umsetzungen massiver Mehrbenutzerspiele im Handheldbereich vor und präsentiert einen verwandten Ansatz einer MiddlewareImplementierung für mobile Mehrbenutzerspiele.

Kapitel 5 erarbeitet die wichtigsten Komponenten einer Middleware für MMOGs, deren Merkmale schließlich auch für die mobile Variante übernommen werden sollen. Es folgt der eigentliche Entwurf der Middleware, der grundlegende Strukturen vorstellt und einige implementierte Features erklärt.

Im sechsten Kapitel werden Testergebnisse, die mit der entwickelten Middleware erzielt wurden, präsentiert. Hierbei steht die Frage der Leistungsfähigkeit der Middleware anhand entstehender Verzögerungszeiten im Vordergrund. Hierbei soll die Skalierbarkeit des Systems durch implementierte zusätzliche Funktionen deutlich verbessert werden.

Kapitel 7 fasst die erarbeiteten Ergebnisse noch einmal kurz zusammen und gibt einen Ausblick für zukünftige Weiterentwicklungen der Middleware.

2. Multiplayerspiele im Desktop- und

Konsolenbereich

“I think there is a world market for maybe five computers.”

- Thomas J. Watson, Gründer von IBM, 1943

Dieses Kapitel gibt zunächst eine Übersicht über Multiplayerspiele und Genres, die sich im Heimcomputerbereich - also im Markt für Spielekonsolen und Desktop PCs - etabliert haben.

Dazu werden sowohl die populärsten Spiel-Genres vorgestellt als auch die verschiedenen (technischen) Multiplayer-Varianten und deren entsprechend benötigte Netzwerkstrukturen.

Im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen dabei Onlinespiele, die mehrere tausend Spieler unterstützen. Die möglichen technischen Realisierungen und Anforderungen, um eine akzeptable Spielbarkeit dieser so genannten Massive Multiplayer Online Games zu erreichen, sind dabei von besonderem Interesse im Hinblick auf die spätere Übertragung auf mobile Netzwerke.

2.1. Allgemeine Computerspiel-Genres

Computerspiele können anhand diverser Kriterien in Genres eingeteilt werden. Dabei ist sowohl eine eindeutige Aufstellung der Genres selbst als auch die Einteilung der Spiele in ein bestimmtes Genre nur schwierig möglich. Durch innovative Ideen und dem Streben der Spielhersteller, ein möglichst breites Spektrum an potentiellen Käufern zu erreichen, werden neue Spielfelder kreiert oder Spiele entwickelt, die gleichzeitig in mehrere Kategorien fallen.

Dass eine eindeutige und zeitlose Klassifizierung nicht möglich ist, liegt unter anderem auch an der rasanten Weiterentwicklung der Technik (schnellere Prozessoren/Grafikkarten, größerer Arbeitsspeicher), die die Entstehung neuer Spiele und somit auch Genres fördert. Umgekehrt haben Spielhersteller heutzutage ebenfalls einen großen Einfluss auf die Hardware der nächsten Generationen. So werden neue Spiele mit innovativen Features oftmals in Absprache und im Gleichschritt mit der Hardware der Zukunft entwickelt.

Die hier betrachtete Einteilung orientiert sich an [Myers90] und [Wiec02] und dem darin vorgestellten Ansatz aus „Computerspiele: Design und Programmierung“ [DoMü02]. Hierbei wird eine pragmatische Aufteilung vorgeschlagen, die dem Spieler durch Faktoren wie technische Kriterien (z.B. 2D- oder 3D-Grafik) aber vor allem Thematik (analog zu Einteilungen von Filmen in Kategorien) bereits von außen einen groben Eindruck vermittelt, um welche Art Spiel es sich handelt.

In [DoMü02] wird folgende Gruppierung vorgeschlagen:

- Actionspiele
- Strategiespiele § Abenteuerspiele § Simulationen § Rennspiele § Sportspiele

Zusätzlich zu dieser Aufteilung ist die Betrachtung weiterer Unterkategorien - wie im Folgenden aufgeführt - möglich.

2.1.1. Actionspiele

Actionspiele gehören zu den Vorreitern der Computerspielindustrie. Sie werden häufig auch als Arcade[2]-Games bezeichnet, da die ersten elektronischen Spiele den Spielern hauptsächlich durch Automaten in Spielhallen zugänglich gemacht wurden.

Actionspiele fordern in erster Linie die Geschicklichkeit des Spielers, insbesondere erfordern Sie „Reflexe und die Koordination von Hand und Augen“ [Myers90].

Eine weitere Unterteilung dieses Genres ist in folgende Unterkategorien möglich:

Jump ’n’ Run

Der Spieler steuert eine Spielfigur durch die Spielwelten (meist durch so genannte Levels[3]) und überwindet dabei Hindernisse und Fallen. Ein populäres Beispiel ist das Spiel „Super Mario Land“ [SuML89], welches 1989 bereits auf dem tragbaren Handheld Gameboy [Gboy89] erhältlich war.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Super Mario Land (Gameboy)

Beat’em Up

Diese Variante legt den Schwerpunkt auf das Bekämpfen/Schlagen von Gegnern. Dabei kann noch zwischen Spielen mit Bildschirm-Scrolling (die Levels werden durchlaufen ähnlich wie bei Jump ‚n’ Runs) und reinen Kampfspielen mit Eins-gegen-Eins (1 vs 1) Kämpfen, wie etwa „Streetfighter“ [StFi87], unterschieden werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Streetfighter 2 Turbo (SNES)

Shooter / Shoot’em Up

Bei den Shootern werden Gegner (Computer oder Mitspieler) durch Schießen bekämpft. Dieses Genre erfuhr mit dem Klassiker „Doom“ [Doom93] einen enormen Schub. Während vorherige Shooter mit verschiedenen Bildschirmtechniken wie Single-Screen (z.B. Space Invaders [SpIn78]) oder Bildschirm-Scrolling (zum Beispiel Raumschiff- oder Hubschrauberspiele) in 2D-Grafik dargestellt wurden, gelang es id Software 1993 das erste mit fließender 3D- Grafik und Netzwerkfähigkeit ausgestatte Spiel auf den Markt zu bringen, welches als Shareware als Download erhältlich war und somit schnell starke Verbreitung fand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Doom (PC Version)

„Doom“ wurde zu einem so großen Erfolg, dass Nachahmer nicht lange auf sich warten ließen und der Computermarkt in den folgenden Jahren regelrecht von 3D Shootern überschwemmt wurde. Shooter im Stile von „Doom“, die direkt aus der Sicht des Spielers gesteuert werden, bilden eine weitere Unterkategorie, die heute allgemein als First Person Shooter (FPS) bekannt sind. Dank immer schneller werdender Rechner und dem Einsatz zusätzlicher Prozessoren auf Grafikkarten, die 3D Berechnungen und Rendering beschleunigen, werden FPS immer realistischer.

2.1.2. Strategiespiele

Strategiespiele verlangen vom Spieler „kreative und logische Denkfähigkeit“ ([Wiec02] und [DoMü02]). Strategisches Planen und Denken stehen im Vordergrund. Man kann wie folgt unterscheiden:

Echtzeitstrategiespiele

Die Entscheidungen des Spielers und die Entwicklung der Spielwelt geschehen in Echtzeit. Dies bedeutet, dass die Spielzeit ständig voranschreitet und somit in Echtzeit agiert (z.B. Verteilen von Aufgaben an seine Spielfiguren) und reagiert werden muss (auch bekannt als Realtime Strategy).

Echtzeitstrategiespiele erfreuen sich insbesondere im Mehrspielermodus großer Beliebtheit. Ein beliebter Vertreter dieses Genres ist die „WarCraft“-Serie [WarCraft94].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: WarCraft III: Reigns of Chaos (PC-Version)

Rundenbasierte Strategiespiele

Das strategische Denken und Handeln erfolgt in einzelnen Runden. In jeder Runde trifft der Spieler eine Entscheidung, die anschließend in das Spielgeschehen übertragen wird. Dabei hat der Spieler genug Zeit, bevor er sich für einen Spielzug entscheiden muss.

Ein typisches Beispiel wäre Schach (ein „Hybrid“, da es ebenfalls in die Kategorie „Sportspiel“ passt).

Aufbauspiele

Hier steht das Aufbauen und Verwalten einer Spielwelt im Vordergrund, so zum Beispiel die Entwicklung einer Stadt oder die Evolution eines virtuellen Volkes.

Wirtschaftssimulationen

Der Spieler leitet ein Unternehmen oder ein Imperium, dessen wirtschaftlicher Erfolg Ziel des Spieles ist. Es werden betriebswirtschaftliche und volkswirtschaftliche Entscheidungen und entsprechendes Vorgehen vom Spieler verlangt.

2.1.3. Abenteuerspiele / Adventures

Die wichtigsten Elemente eines Abenteuerspiels sind die Story und der Dialog. Der Spieler muss anhand der gelieferten Story und Interaktionen mit Gegenständen und Charakteren des Spiels (insbesondere Dialoge) Zusammenhänge erkennen und Rätsel lösen.

Abenteuerspiele haben ihren Ursprung in den Text-Adventures. Hier wurde das Spielgeschehen durch eine textbasierte Geschichte getragen.

Der Spieler bekam die Story wie in einem Buch präsentiert und konnte durch Eingabe von simplen Befehlen („gehe nach links“, „benutze Taschenlampe“) die Geschichte und somit das Spiel vorantreiben.

Anfang der 90er Jahre gingen die Entwickler aufgrund verbesserter (Grafik-) Hardware zu Grafik-Adventures über. Die Steuerung der Spielfigur(en) wurde durch den Einsatz der Computermaus vereinfacht, und die Geschichte wurde neben dem Dialog nun vor allem von grafischen Elementen unterstützt.

Besonders erwähnenswert sind hier die Adventures von LucasArts[4], die durch speziellen Witz und liebevoll gezeichnete Grafiken beeindruckten.

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Abbildung 2.5: The Secret of Monkey Island (PC-Version)

Rollenspiele

Computer-Rollenspiele (auch bekannt als Role-Playing Games) stammen von ihren Brettspiel-Vorbildern ab, die wiederum von entsprechender Literatur, wie den Werken von J.R.R. Tolkien, inspiriert wurden.

In einem Rollenspiel übernehmen die Spieler die Rolle eines Charakters in einer Fantasiewelt und versuchen unter vorgegebenem Regelwerk, die Entwicklung ihres eigenen Charakters voranzutreiben (Hinzugewinnen neuer Fähigkeiten wie „Zauberkräfte“, Sammeln von Gegenständen), um diverse Abenteuer in der Spielwelt zu meistern.

Dabei werden den Spielern verschiedene Aufgaben, so genannte Quests, gestellt, die es zu lösen gilt.

Rollenspiele müssen kein vorgesehenes Ende haben, so dass die Fantasiewelten parallel zur „echten Welt“ ständig weiterleben und weiterentwickelt werden können.

Wie im nächsten Abschnitt aufgeführt, sind Rollenspiele durch diese fiktiven Welten und Charaktere ein besonders interessantes Mehrspieler-Genre. Die starke Verbreitung des Internets in den letzten Jahren hat dafür gesorgt, dass Rollenspiele mit mehreren tausend Spielern möglich geworden sind (MMORPGs).

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Abbildung 2.6: Diablo II LOD (PC-Version)

2.1.4. Simulationen

Simulationsspiele versuchen, Teile der realen Welt abzubilden, indem bestimmte Szenarien so realitätsnah (dies kann sich sowohl auf die Grafik als auch auf die inhaltlichen Elemente beziehen) wie möglich dargestellt werden. Die virtuellen Umgebungen sind dabei von besonderer Bedeutung, da sie dem Spieler den Eindruck einer wirklichen Umgebung suggerieren sollen.

Hierbei seien insbesondere Flugsimulationen zu erwähnen, die teilweise so realistisch gestaltet wurden, dass aufgrund diverser Kritik nach Terroranschlägen durch entführte Flugzeuge eine Überarbeitung bzw. Rücknahme der Spiele nötig war (siehe [Siegen02]).

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Abbildung 2.7: Microsoft Flight Simulator 2004 (PC-Version)

2.1.5. Sport- und Rennspiele

In diesem Genre werden fast alle Sportarten auf den Computer übertragen, unter anderem auch als Kollektionen wie z.B. Olympische Sportarten.

Computer-Sportspiele erfahren einen ähnlichen Trend, wie die entsprechenden Sportarten selbst. Ein Sport, der in den Medien und beim Publikum an Beliebtheit gewinnt, wird nicht lange mit einer Umsetzung als Computerspiel auf sich warten lassen. Da die Identifizierung mit Sportidolen ein nicht zu unterschätzender Faktor in der Kaufentscheidung eines Computerspielers ist, wird die ständig verbesserte Hardware vor allem für eine realitätsnahe Verwirklichung der Idole auf dem Computerbildschirm genutzt.

Rennspiele, wie Autorennen, können als eigenes Genre oder Unterkategorie betrachtet werden, da sie teilweise etwas aus dem Sportrahmen fallen können - so sind beispielsweise auch futuristische Autorennen denkbar.

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Abbildung 2.8: FIFA 2005 (PC und PS2 Version)

2.2. Multiplayer-Spiele

Nachdem im ersten Abschnitt ein kurzer Einblick in eine mögliche Einteilung der Computerspiel-Genres gegeben wurde, werden nun solche Spiele detaillierter betrachtet, die für mehrere Spieler besonders interessant und gefragt sind.

Dazu wird in erster Linie auf die technischen Möglichkeiten zur Implementierung eines Mehrbenutzer-Modus in Spielen im Heimcomputerbereich - insbesondere die Realisierung durch Netzwerkunterstützung - eingegangen.

2.2.1. Technische Realisierungen für Multiplayer Umgebungen

Es ist bemerkenswert, dass „Pong“ [Pong72], das erste populäre Videospiel der Welt[5], bereits für zwei Spieler entwickelt wurde und wenig später sogar Varianten mit 4 Spielern (vergleichbar mit einem Tennis-Doppel) vorgestellt wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Pong für 4 Spieler

Single-Screen

Während „Pong“ aufgrund technischer Limitierungen einen Mehrspielermodus auf einem einzigen Bildschirm (Single-Screen, d.h. alle Spieler benutzen denselben Bildschirm) bot, wurde diese erste Möglichkeit mehrere menschliche Spieler gleichzeitig an derselben Konsole spielen zu lassen, wiederholt in den ersten Generationen der Videospiele genutzt. Die Entwicklung hin zu „bewegten“ Bildern (horizontales und vertikales Scrolling) übertrug sich ebenfalls auf die Multiplayer-Spiele, auch wenn es hier zu möglichen Problemen bei der Steuerung kommen konnte, da zwei Spieler den Bildschirm nicht gleichzeitig in zwei Richtungen verlassen und somit zum Weiterscrollen bringen konnten.

Eine weitere Variante eines Single-Screen Multiplayer-Modus sind runden basierte Spiele, in denen die einzelnen Benutzer abwechselnd eine gewisse Zeit für ihre Spielzüge haben und dabei mitunter sogar dieselben Eingabegeräte benutzen. Ein Beispiel hierfür ist das Spiel „Giana Sisters“ [GiSi87], bei dem die Spieler sich nach jedem „virtuellen Sterben“ der Spielfigur abwechselten.

Split-Screen

Eine andere weit verbreitete Technik, Mehrbenutzerspiele an einem einzigen Bildschirm zu ermöglichen stellt die Bildschirmaufteilung (Split-Screen) dar. Single-Screen Spiele präsentieren jedem beteiligten Spieler die gleiche Perspektive auf die Spielwelt.

Durch die (meist horizontale) Aufteilung des Bildschirms ist hingegen die Realisierung mehrerer Blickwinkel durchführbar, so dass jedem Benutzer seine eigene Perspektive eingeräumt werden kann.

Der Nachteil dieses Ansatzes ist - neben der beschränkten Anzahl an Spielern (meist nur zwei Benutzer) - die optische Irritation, die speziell bei schnellen, mit 3D-Grafik ausgestatteten Videospielen auftritt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Super Mario Kart (SNES-Version) als Beispiel der Split-Screen Technik

Netzwerklösungen

Die bisher beschriebenen Mehrspieler-Modi basieren auf Veränderungen der Software und zeitlicher beziehungsweise räumlicher Aufteilung der gemeinsam verwendeten Hardware-Ressourcen.

Computernetzwerke erlauben eine neue Art des Mehrspielerbetriebs, indem jeder Spieler das gemeinsame Spiel auf seiner eigenen Hardware laufen lässt und demnach jeder Benutzer seinen eigenen Blickwinkel (getrennt von den übrigen) erhält. Basis dieses gemeinsamen Spiels sind verschiedenartige Netzwerke, die getrennte Spielgeräte verbinden und so den Informationsaustausch zwischen der parallel laufenden Spielsoftware ermöglichen.

Der entscheidende Unterschied liegt also vor allem in der Tatsache, dass mehrere Versionen derselben Software (Clients) gleichzeitig laufen. Somit taucht unweigerlich das Problem der Verwaltung der gemeinsamen Spielwelt, also der Synchronisation auf. Jeder Spieler sollte zu nahezu jedem Zeitpunkt möglichst dieselbe Spielwelt wahrnehmen, um eine logische Wahrnehmung im Sinne des Spielprinzips zu gewährleisten (Synchronisationsprinzip). Dazu ist ein Austausch an Informationen zwischen den Softwares erforderlich. Aus diesem Grund muss die verwendete Netzwerkstruktur, die diesen Informationsaustausch bewerkstelligt, gewissen Anforderungen genügen. Unter anderem muss die Spielbarkeit des Mehrbenutzerspiels akzeptabel gestaltet werden (siehe Abschnitt 2.3.2).

Die Vernetzung zweier Spieler wurde anfangs durch eine direkte Verbindung zwischen den Spielgeräten, die in den meisten Fällen über serielle Schnittstellen der Geräte zustande kam, verwirklicht. Im PC-Bereich wurden zunächst vor allem die COM- Schnittstellen genutzt, die mit Hilfe eines Nullmodem-Kabels verbunden wurden. Auch im mobilen Handheldbereich konnten durch eine direkte Verkabelung des Nintendo Gameboys über das so genannte DirectLink-System bereits Spiele mit zwei menschlichen Spielern durchgeführt werden.

Die einfachste Form der Vernetzung mehrerer Spieler geschieht über Local Area Networks (LAN) mit fester Verkabelung, also kleine Netzwerke mit geringer Reichweite (etwa für die Vernetzung in einem Gebäude). Der am weitesten verbreitete Standard für LANs ist das Ethernet.

Im Zuge der technischen Entwicklung durchlief das Ethernet verschiedene Versionen, die in Bezug auf die Datenübertragungsrate stetig verbessert wurden. Zuerst dominierte ein Ethernet-Standard, der einen Datendurchsatz von 10 Mbit/s gestattete. In nächsten Generationen wurden Standards mit 100 Mbit/s (Fast Ethernet) und 1Gbit/s (Gigabit Ethernet) und sogar 10 Gbit/s entwickelt. Die einzelnen Standards arbeiten mit unterschiedlichen Technologien, wie verschiedenen Verkabelungen oder Modulationstechniken. Durch Router/Splitter ist die maximale Anzahl an Netzwerkteilnehmern eines LANs auch nicht mehr auf 2 beschränkt.

Anfangs wurden Koaxialkabel verwendet, wobei der Standard 10Base2 bei dieser Verkabelung der damals am häufigsten verwendete Typ war. 10Base2, auch bekannt als Thin Ethernet (da die Kabel im Vergleich zum Standard 10Base5 - dessen Kabel etwa daumendick waren - vergleichsweise dünn und daher biegsamer waren), unterstützte Geschwindigkeiten bis zu 10 Mbit/s und eine Kabellänge von maximal 185m (als Resultat war die maximale Anzahl der Teilnehmer oft auf 14-16 beschränkt). Der Anschluss der maximal 30 (eher 14-16) Rechner an das Koaxialkabel erfolgt durch so genannte T- Stecker, mit denen die Bus-Schiene von den einzelnen Knoten (also Rechnern) „angezapft“ wurde. Um das Netzwerk „abzuschließen“ wurde an den beiden Enden der Schiene je ein Endwiderstand (10 Ohm) positioniert. Neben der Netzwerkhardware der beteiligten Knoten selbst wurde nur wenig Hardware benötigt, so dass dieser Standard kostengünstig und beliebt im Heimanwenderbereich war.

Der Nachteil einer solchen Bus-Topologie ist jedoch, dass der Ausfall eines einzigen Kabelsegments (z.B. durch einen Kabelbruch) den Ausfall des gesamten Netzwerks bedeutete. Daher ging man zu der Einführung einer zusätzlichen Hardware, eines Hubs (später auch Switches) über, der mit jedem einzelnen Knoten verbunden war und den Netzwerkverkehr regelte (Stern-Netzwerktopologie). Für diesen Verkabelungstyp wurden Twisted-Pair-Kabel benutzt, die bereits bei der Telefonverkabelung Einsatz fanden. Der Hub ermöglichte nicht nur die leichte Entfernung oder das Hinzufügen neuer Knoten ohne den Netzverkehr zu stören - durch ihn wurde ebenfalls gesichert, dass der Ausfall eines einzigen Knotens beziehungsweise Kabels keinen Einfluss auf das restliche Netzwerk hatte. Nachteilig hierbei ist allerdings die begrenzte Länge eines Kabels auf 100m bzw. 200m (je nach verwendetem Kabeltyp), so dass für etwas längere Verbindungen andere Techniken zum Einsatz kommen müssen (zum Beispiel Glasfaser).

Möchte man die Verkabelung der Rechner umgehen, so kann man den Netzwerkverkehr auch drahtlos über Wireless LANs abwickeln, die ebenfalls eine Verbreitung des Netzwerks in einem Gebäude möglich machen. Mit dem Datenverkehr über Funk sind Datenraten von 11 Mbit/s bis 54 Mbit/s realisierbar. Für WLANs existieren zwei Betriebsmodi, der Infrastruktur- und der Ad-Hoc-Modus. Im Infrastruktur-Modus gibt es eine Basisstation (auch Access Point), über welche die gesamte Kommunikation läuft; während im Ad-Hoc-Modus die Rechner direkt miteinander kommunizieren. Obwohl WLANs offensichtlich den großen Vorteil bieten, dass eine Verkabelung erspart bleibt und somit die Mobilität der Spielgeräte ermöglicht wird, steht demgegenüber vor allem noch die Frage der Sicherheit und Zuverlässigkeit, da die Kommunikation über Funk abgehört und gestört werden kann (eingesetzte Sicherungsprotokolle: z.B. WEP). Weitere drahtlose Verbindungen sind durch Kurzstreckenfunktechniken wie Infrarot oder Bluetooth möglich.

Um über das Ethernet vernetzte Spiele synchron zu halten, schickt die Spielsoftware regelmäßig (oder bei Bedarf) Pakete über das LAN an andere Netzwerkteilnehmer, um Veränderungen in der lokalen Version des Spiels mitzuteilen (wie etwa Spielzüge). Andere Rechner empfangen Pakete und führen entsprechende Berechnungen durch, die zu einem Update des Spielstatus führen und unter Umständen weitere Benachrichtigungen des Netzwerks nach sich ziehen. Damit die Synchronisation des Spiels garantiert werden kann, muss sowohl die Ankunft der Statusupdate-Pakete bei den anderen Rechnern gesichert als auch die Verzögerungszeiten (Latenz) bei der Paketauslieferung in Grenzen gehalten werden.

Da LANs in ihrer Größe beschränkt sind (je nach Struktur sind auch LAN Parties mit mehr als 2500 Teilnehmern möglich), ergeben sich nur selten Probleme in Hinblick auf die Latenz. Ein Paketverlust ist hingegen nie auszuschließen. Benutzen zwei Rechner das gemeinsame Medium (das Kabel des LANs) gleichzeitig, so kollidieren die Pakete und zerstören sich gegenseitig. Damit Kollisionen reduziert werden, wird bei Ethernet das CSMA/CD-Verfahren angewendet: Jeder Rechner, der Pakete über das Netzwerk schicken will, überprüft zunächst die Leitung (Carrier Sense), ob nicht schon ein Paket übertragen wird. Ist das Medium unbenutzt, so sendet er sein Paket. Sollten nun trotzdem zwei Rechner das ungenutzte Medium benutzen wollen, und es kommt zu einer Kollision, so erkennen die beteiligten Rechner den Fehler (Collision Detection) und jeder wartet eine zufällige Zeit ab (damit eine erneute Kollision verhindert wird), bevor ein erneuter Versuch gestartet wird. Somit wird ein flüssiger Spielverlauf im Multiplayer-Betrieb nur selten gestört. Bei drahtlosen Netzwerken findet CSMA/CD keine sinnvolle Anwendung (siehe [Tan03]), da unter anderem viele Funkgeräte nicht gleichzeitig Senden und das Medium nach Kollisionen und Störungen abhören können (also halbduplex arbeiten). Daher wird versucht, Kollisionen vorausschauend zu vermeiden (CSMA/CA). Das Versenden der Pakete über Funk ist insgesamt viel unzuverlässiger als bei Kabelverbindungen, da Funkverkehr durch eine Vielzahl von Faktoren gestört und beeinflusst werden kann (anderer Funkverkehr, Hindernisse wie Wände).

Typische maximale Spieleranzahlen im LAN-Bereich liegen bei 8 bis 16 Spielern (in seltenen Ausnahmen 32+, oder LAN-Parties im großen Stil). Mit der Etablierung des Internets ergab sich für Spieler von Mehrbenutzerspielen die Gelegenheit, eine enorm große Spielergemeinde zu erreichen. Mit Hilfe des Internets war es möglich, Mitspieler zu finden, die in der ganzen Welt verteilt waren. Sowohl durch Internet-Schnittstellen lokaler Spielsoftware (client-basierte Spiele) als auch über das World Wide Web selbst, in Form von browser-basierten Spielen, entstand eine neue Dimension der Mehrbenutzerspiele, die nun Spieleranzahlen im hohen tausendstelligen Bereich gestatteten.

Netzwerke, die Verteilungen der Spieler auf verschiedene Länder oder sogar Kontinente unterstützen, werden als Wide Area Networks bezeichnet. Wegen der teilweise sehr großen Distanzen zwischen den Teilnehmern eines WAN-Spiels, treten nun Faktoren wie Latenzzeiten verstärkt in den Vordergrund. Nicht nur der Umgang mit großen Distanzen (die meist durch sehr schnelle Verbindungen wie Glasfaserkabel überbrückt werden) ist dabei Ausschlag gebend, um eine gewisse Qualität bzw. eine akzeptable Ausführung des Spiels zu erreichen. Auch die so genannte letzte Meile, das heißt der Anschluss des Spielteilnehmers am Internet selbst kann eine einschneidende Limitierung darstellen. Dieser Zugriff eines Endnutzers auf das Internet kann auf vielfältige Weise erfolgen und mit unterschiedlichen Bandbreiten gestaltet sein. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind in erster Linie Verbindungen interessant, die den Zugriff von mobilen Geräten aus gestatten und somit Zugang zu Spielen mit vielen tausend Spielern verwirklichen können. Deshalb stehen oben erwähnte FunkÜbertragungstechniken (wie Bluetooth und WLAN), die eine Verbindung zur Internetspielgemeinde herstellen können, im Mittelpunkt der nachfolgenden Kapitel.

2.2.2. Populäre Multiplayer-Genres

Eine Umfrage bei etwa 11.000 Internetnutzern, die im Rahmen einer Bachelorarbeit [Schob03] der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg auf mehreren deutschen Gaming- und Clan-Webseiten durchgeführt wurde, ergab, dass die beliebtesten Genres bei deutschsprachigen Spielern First Person Shooter (51.3% der Befragten), Rollenspiele (30.4%) und Strategiespiele (RTS 7.5%, andere Strategiespiele 7.1%) sind. Anhand der angemeldeten Spieler bei einzelnen Online-Spielen [GamSur05] ist ebenfalls ersichtlich, dass FPS und RPGs auch international einen großen Zulauf verzeichnen. Im MMOG-Bereich nehmen die Rollenspiele eine dominierende Position ein, wie die Anzahl der Teilnehmer ([MMOGChart]) an Online-Rollenspielen wie „World of Warcraft“ oder „LineAge II“ [LineAge2] zeigen.Für die nachfolgenden Untersuchungen im MMOG-Bereich werden daher im Wesentlichen MMORPGs betrachtet.

2.3. Einführung in den MMOG-Bereich

Online-Spiele, die über das Internet abgewickelt werden unterliegen verschiedenen Problemen, die hauptsächlich in der Verzögerungszeit beim Datenaustausch über das Internet begründet sind. Abgesehen von geographischen Gegebenheiten und der genutzten Bandbreite der Spielteilnehmer, entsteht bei massiven Multiplayerspielen vor allem ein erheblicher Verwaltungsaufwand der vielen tausend Spieler, der technisch gehandhabt werden muss (siehe z.B. Serverstatistiken von Eve Online [EveOnl06]). Um den Anforderungen der verschiedenen Online-Spiele gerecht zu werden, müssen demnach vor allem die verwendeten Netzwerkstrukturen und Verwaltungsmöglichkeiten der MMOGs untersucht werden.

2.3.1. Netzwerkstrukturen

Client-Server-Systeme

Die häufigsten eingesetzte Netzwerkstruktur für Onlinespiele (insbesondere MMOGs) im Internet ist das Client-Server-System. Hierbei steht ein ausgezeichneter Rechner, der Server, bereit und wartet auf die Kontaktaufnahme durch die anderen Rechner (Spielteilnehmer), die Clients. Der Server stellt den Clients einen Dienst zur Verfügung, der in Anspruch genommen werden kann. Für Mehrbenutzerspiele bedeutet dies speziell, dass Spielzüge wie Bewegungen und Aktionen der Spielfiguren, über das Netzwerk an den Server gesendet werden, der somit alle Anfragen zentral überprüfen und verwalten kann. Nach der Auswertung durch den Server wird der Client, also der jeweilige Spieler, entsprechend informiert und kann die Änderungen lokal darstellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.11: Client Server System

Spielhersteller stellen der Online-Gemeinde Spielserver zur Verfügung, auf denen sich die lokal betriebene Spielsoftware einloggen kann (in manchen Fällen kann auch der Rechner eines Spielers die Rolle des Hosts übernehmen).

[...]


[1] pervasive (engl.) = durchdringend, tiefgreifend

[2] Arcade (engl.) = Spielhalle

[3] Unterteilung des Spiels in einzelne Spielabschnitte (auch „Stages“) unterschiedlicher Schwierigkeit

[4] bis 1991 LucasFilm Games

[5] es wurden bereits Videospiele vor „Pong“ entwickelt, allerdings wird „Pong“ aufgrund der weltweiten Verbreitung als „Urvater“ der Videospiele bezeichnet [Wiki06]

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Details

Titel
Entwurf und Implementierung einer Middleware für mobile MMOGs
Hochschule
Freie Universität Berlin
Note
1,7
Autoren
Jahr
2005
Seiten
100
Katalognummer
V142217
ISBN (eBook)
9783640508204
ISBN (Buch)
9783640508143
Dateigröße
1454 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
MMOG, Massive Multiplayer, Computerspiele, Videospiele, Middleware, Mobiles Spielen, Spieleentwicklung, Mobile Gaming
Arbeit zitieren
Michael Schran (Autor)Dr. Tobias Fritsch (Autor), 2005, Entwurf und Implementierung einer Middleware für mobile MMOGs, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/142217

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Titel: Entwurf und Implementierung einer Middleware für mobile MMOGs



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