This work takes a look at the problems of multiplayer games in special first person shooter in future
mobile ad-hoc networks and presents some solutions. At first different network architectures are examined regarding their suitability for mobile ad-hoc networks. After this the reasons of network delays were analyzed, which are the most critical point when playing over a communication channel. Techniques of current internet real-time games are presented for fight this and further problems. For illustration some concrete realizations from popular first person shooter games are explained. In the end the upcoming problems in mobile ad-hoc networks are described and conventional methods to solve them are presented.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
1.1 DANKSAGUNG
1.2 EINFÜHRUNG
1.3 AUFBAU DER ARBEIT
2. NETZWERKARCHITEKTUR-MODELLE
2.1 PEER-TO-PEER-NETZWERKMODELLE
2.1.1 Unicasting-Systeme
2.1.2 Broadcasting/Multicasting-Systeme
2.2 CLIENT/SERVER-NETZWERKMODELLE
2.2.1 Arten von Client/Server-Modellen
2.3 ANWENDUNG IN MOBILEN AD-HOC NETZWERKEN
2.4 ZUSAMMENFASSUNG
3. ANFORDERUNGEN AN EIN NETZWERKPROTOKOLL
3.1 URSACHEN VON LATENZ IN ECHTZEITSPIELEN
3.2 INFORMATIONSABHÄNGIGE WAHL DES NETZWERKPROTOKOLLS
3.3 ZUSAMMENFASSUNG
4. PROBLEMLÖSUNGEN FÜR MEHRBENUTZERSPIELE
4.1 TECHNIKEN DER SERVER-APPLIKATION
4.1.1 Unterteilung des virtuellen Raums
4.1.2 Filterung relevanter Informationen
4.1.2.1 Rasterbasierte Filterung
4.1.2.2 Objektbasierte Filterung
4.1.3 Schutz vor Cheatern und Hackern
4.1.3.1 Paket Replay
4.1.3.2 Reverse Engineering
4.1.3.3 Verschlüsselter Datenverkehr
4.1.4 Ephemeral Channels
4.2 TECHNIKEN DER CLIENT-APPLIKATION
4.2.1 Methoden der Interpolation und Extraplolation
4.2.2 Reversible Simulationen
4.2.3 Dead-Reckoning-Algorithmen
4.2.4 Ansätze der Vorhersage-Techniken
4.2.5 Event-Locking
5. IMPLEMENTIERUNGEN IN ECHTZEITSPIELEN
5.1 UNREAL TOURNAMENT - EPIC MEGAGAMES
5.1.1 Reduktion der Bandbreitenanforderung
5.1.1.1 Relevante Aktoren
5.1.1.2 Aktoren verschiedener Priorität
5.1.1.3 Einschränkung des Wertebereichs
5.1.1.4 Abschätzung von Spielerpositionen
5.1.2 Konsistenzerhaltung durch Replikation
5.1.2.1 Unzuverlässige/Zuverlässige Replikation
5.2 QUAKE – ID SOFTWARE
5.2.1 Filterung relevanter Informationen
5.2.2 Das Netzwerkprotokoll von Quake I
5.2.3 Positions- und Input-Updates in Quake II
5.2.4 Verteilung der Paketgrößen einer Spielsession
5.2.4.1 Client-to-Server
5.2.4.2 Server-to-Client
5.2.4.3 Bandbreitenanforderungen
5.3 HALF-LIFE – VALVE SOFTWARE
5.3.1 Abschätzung von Spielerpositionen
5.4 ZUSAMMENFASSUNG
6. MOBILE AD-HOC NETZE
6.1 ZUKÜNFTIGE PROBLEME VON ECHTZEITSPIELEN
6.1.1 Mobilität der Endgeräte
6.1.2 Limitierte Bandbreiten
6.1.3 Synchronisation des verteilten Spielzustands
6.1.3.1 Trailing-State-Synchronisation
6.1.4 Automatisches Finden von Mitspielern
6.1.5 Sicherheitsrelevante Aspekte
6.2 PORTIERUNG EINES FPS AUF MOBILE AD-HOC NETZE
6.3 ZUSAMMENFASSUNG
7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
7.1 ZUSAMMENFASSUNG
7.2 AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht die Herausforderungen und Lösungsstrategien für Mehrbenutzer-Echtzeitspiele, speziell First Person Shooter, in der Umgebung mobiler Ad-Hoc-Netzwerke. Dabei steht die Frage im Fokus, wie bestehende Netzwerkarchitekturen und Synchronisationsmechanismen so angepasst werden können, dass trotz limitierter Bandbreite und hoher Mobilität ein flüssiges Spielerlebnis und eine ausreichende Fehlertoleranz gewährleistet werden.
- Analyse und Vergleich verschiedener Netzwerkarchitektur-Modelle (Peer-to-Peer vs. Client/Server).
- Untersuchung von Ursachen und Kompensationsmethoden für Latenz bei Online-Spielen.
- Techniken zur serverseitigen Lastverteilung und zur Filterung relevanter Spielinformationen.
- Sicherheitsmaßnahmen gegen Cheating und Hacking in verteilten Spielumgebungen.
- Anwendung von Vorhersage-Algorithmen (Dead-Reckoning, Interpolation) zur Verbesserung der Client-Performance.
- Evaluation von Synchronisationsverfahren (insb. Trailing-State-Synchronisation) für mobile Ad-Hoc-Szenarien.
Auszug aus dem Buch
4.1.3.1 Paket Replay
Ein unfairer Spieler kann mit Hilfe von sogenannter Sniffer Software gültige Pakete abfangen und duplizieren. Durch wiederholtes senden dieser gültigen Pakete kann man eventuell die vom Client festgelegte Anzahl der Ausführungen von Spielkommandos unerlaubt erhöhen.
Die gültige Anzahl von Ausführungen an ein Zeitintervall zu binden, ist in der Praxis auf Grund der Internet-Latenz ungünstig. Denn eine Verzögerung kann dazu führen das legale, ursprünglich zeitlich versetzte Pakete unmittelbar nacheinander eintreffen und dann als illegal zurückgewiesen werden. Besser sind hier deshalb einzigartige Identifikations-Informationen pro Paket. Wie linear kongruente Zufallszahlen z der Art z () z a b alt = ÷ ∗ wobei a, b speziell gewählte Zahlen sind [Knuth98], und z vom Sender und Empfänger pro Paket inkrementiert 1 zalt = zalt + und neu gereneriert wird. Erreicht wird so eine sukzessive Folge von Zufallszahlen für sukzessive Pakete, die auf beiden Seiten erzeugt und damit verglichen werden können.
Die Initialisierung der Generatoren übernimmt der Server, indem er zufällige Startwerte für alt z generiert und diese den Clients in der ersten Nachricht übermittelt. Eine hierfür geeignete Quelle von Zufallszahlen mit höherer Genauigkeit als die standardisierte rand() C-Funktion, liefert z.B. eine Implementierung in [Booth97]. Bei unzuverlässigen Verbindungen kann die Synchronität der Zufallszahl-Generatoren z aufgrund von Paketverlusten und Reihenfolgeverlusten verloren gehen, da dann die Inkrementierungen divergieren und so unsynchrone z erzeugt werden. Eine Lösung stellt in diesem Fall die erweiterte Nutzung von herkömmlichen Paket-Sequenznummern s dar, welche meist auch bei unzuverlässigen Übertragungen genutzt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
EINLEITUNG: Die Arbeit gibt einen Überblick über den wachsenden Markt der Online-Mehrbenutzerspiele und benennt die Zielsetzung der Untersuchung von FPS-Portierungen in mobile Ad-Hoc-Netzwerke.
NETZWERKARCHITEKTUR-MODELLE: Es werden grundlegende Kommunikationsmodelle wie Peer-to-Peer und Client/Server hinsichtlich ihrer Eignung für Echtzeitspiele analysiert, wobei hybride Ansätze für mobile Szenarien favorisiert werden.
ANFORDERUNGEN AN EIN NETZWERKPROTOKOLL: Dieses Kapitel identifiziert die Ursachen von Latenz auf Hardware-, Protokoll- und Applikationsebene und diskutiert die Wahl zwischen zuverlässigen und unzuverlässigen Protokollen.
PROBLEMLÖSUNGEN FÜR MEHRBENUTZERSPIELE: Hier werden zentrale Techniken zur Skalierbarkeit, Sicherheit (z.B. gegen Cheating) und Latenzkompensation, wie Dead-Reckoning und Event-Locking, vorgestellt.
IMPLEMENTIERUNGEN IN ECHTZEITSPIELEN: Die theoretischen Konzepte werden an konkreten Beispielen wie Unreal Tournament, Quake und Half-Life in ihrer tatsächlichen softwaretechnischen Umsetzung veranschaulicht.
MOBILE AD-HOC NETZE: Der Fokus liegt auf den spezifischen Problemen mobiler Netzwerke wie temporäre Netzausfälle und Bandbreitenlimitierungen, sowie deren Lösungen durch Synchronisationsverfahren.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Das letzte Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und diskutiert zukünftige Forschungsansätze, insbesondere hinsichtlich des Vertrauensmodells gegenüber Clients.
Schlüsselwörter
Echtzeitspiele, First Person Shooter, Mobile Ad-Hoc Netze, Client/Server-Architektur, Latenz, Bandbreite, Synchronisation, Trailing-State-Synchronisation, Dead-Reckoning, Spielzustand, Netzwerkprotokoll, Fehlertoleranz, Replikation, Cheating-Schutz, Paket-Replay.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die technischen Herausforderungen bei der Umsetzung von Mehrbenutzer-Echtzeitspielen, insbesondere First Person Shooters, für zukünftige mobile Ad-Hoc-Netzwerke.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit deckt Netzwerkarchitekturen, Latenzmanagement, serverseitige Lastverteilung, Sicherheit gegen Manipulationen (Cheating) und Synchronisationsmechanismen ab.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, Lösungsansätze zu finden, um heutige Internet-Mehrbenutzerspiele trotz der instabilen und limitierten Bedingungen in mobilen Ad-Hoc-Netzen spielbar zu machen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es erfolgt eine systematische Analyse existierender Netzwerkarchitekturen und eine Evaluation von in der Industrie bewährten Algorithmen zur Latenzkompensation und Konsistenzerhaltung.
Was steht im inhaltlichen Hauptteil im Fokus?
Im Hauptteil werden sowohl theoretische Konzepte zur Architektur-Erweiterung als auch konkrete Implementierungsbeispiele aus populären Spielen wie Quake, Half-Life und Unreal Tournament detailliert gegenübergestellt.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Latenzkompensation, Ad-Hoc-Netze, Spielzustands-Synchronisation und Client/Server-Skalierung bestimmt.
Wie unterscheidet sich die Trailing-State-Synchronisation von anderen Verfahren?
Im Gegensatz zu konservativen oder rein optimistischen Ansätzen nutzt sie eine Folge von Synchronisierern in der Vergangenheit, um Diskrepanzen bei der Zustandsberechnung effizienter zu erkennen und zu korrigieren.
Warum sind herkömmliche Dead-Reckoning-Verfahren für FPS-Spiele problematisch?
FPS-Spiele zeichnen sich durch unvorhersehbare, schnelle Richtungswechsel und häufiges Springen aus, was die Vorhersagequalität klassischer Dead-Reckoning-Algorithmen reduziert und zu Artefakten wie "schwebenden" Spielern führt.
Welche Rolle spielt die Sicherheit in dieser Arbeit?
Die Sicherheit ist entscheidend, da in dezentralen Ad-Hoc-Netzen keine zentrale, vertrauenswürdige Instanz existiert. Die Arbeit diskutiert daher kryptographische Verfahren wie HMAC und Checksummen, um Manipulationen durch Clients zu erschweren.
- Quote paper
- Tobias Schröter (Author), 2004, Internet-Echtzeitspiele für mobile Netzwerke, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/46457
