网络游戏封包基础

来源：作者：出处：巧巧读书 2006-03-14 进入讨论组

网络互连
　　在了解了网络游戏基本形态之后，让我们进入真正的实际应用部分。首先，作为网络游戏，除了常规的单机游戏所必需的东西之外，我们还需要增加一个网络通讯模块，当然，这也是网络游戏较为主要的部分，我们来讨论一下如何实现网络的通讯模块。

　　一个完善的网络通讯模块涉及面相当广，本文仅对较为基本的处理方式进行讨论。网络游戏是由客户端和服务器组成，相应也需要两种不同的网络通讯处理方式，不过也有相同之处，我们先就它们的共同点来进行介绍。我们这里以Microsoft Windows 2000 [2000 Server]作为开发平台，并且使用Winsock作为网络接口（可能一些朋友会考虑使用DirectPlay来进行网络通讯，不过对于当前在线游戏，DirectPlay并不适合，具体原因这里就不做讨论了）。
　　确定好平台与接口后，我们开始进行网络连接创建之前的一些必要的初始化工作，这部分无论是客户端或者服务器都需要进行。让我们看看下面的代码片段：
WORD wVersionRequested;
WSADATAwsaData;
wVersionRequested MAKEWORD(1, 1);
if( WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData ) !0 )
{
　Failed( WinSock Version Error!" );
}
　　上面通过调用Windows的socket API函数来初始化网络设备，接下来进行网络Socket的创建，代码片段如下：

SOCKET sSocket socket( AF_INET, m_lProtocol, 0 );
if( sSocket == INVALID_SOCKET )
{
　Failed( "WinSocket Create Error!" );
}
　　这里需要说明，客户端和服务端所需要的Socket连接数量是不同的，客户端只需要一个Socket连接足以满足游戏的需要，而服务端必须为每个玩家用户创建一个用于通讯的Socket连接。当然，并不是说如果服务器上没有玩家那就不需要创建Socket连接，服务器端在启动之时会生成一个特殊的Socket用来对玩家创建与服务器连接的请求进行响应，等介绍网络监听部分后会有更详细说明。
　　有初始化与创建必然就有释放与删除，让我们看看下面的释放部分：

if( sSocket != INVALID_SOCKET )
{
　closesocket( sSocket );
}
if( WSACleanup() != 0 )
{
　Warning( "Can't release Winsocket" );
}

　　这里两个步骤分别对前面所作的创建初始化进行了相应释放。
　　接下来看看服务器端的一个网络执行处理，这里我们假设服务器端已经创建好一个Socket供使用，我们要做的就是让这个Socket变成监听网络连接请求的专用接口，看看下面代码片段：
SOCKADDR_IN addr;
memset( &addr, 0, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
addr.sin_port = htons( Port ); 　// Port为要监听的端口号
// 绑定socket
if( bind( sSocket, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(addr) ) == SOCKET_ERROR )
{
　Failed( "WinSocket Bind Error!");
}
// 进行监听
if( listen( sSocket, SOMAXCONN ) == SOCKET_ERROR )
{
　Failed( "WinSocket Listen Error!");
}

　　这里使用的是阻塞式通讯处理，此时程序将处于等待玩家用户连接的状态，倘若这时候有客户端连接进来，则通过accept()来创建针对此玩家用户的Socket连接，代码片段如下：
sockaddraddrServer;
int nLen sizeof( addrServer );
SOCKET sPlayerSocket accept( sSocket, &addrServer, &nLen );
if( sPlayerSocket == INVALID_SOCKET )
{
　Failed( WinSocket Accept Error!");
}
这里我们创建了sPlayerSocket连接，此后游戏服务器与这个玩家用户的通讯全部通过此Socket进行，到这里为止，我们服务器已经有了接受玩家用户连接的功能，现在让我们来看看游戏客户端是如何连接到游戏服务器上，代码片段如下：
SOCKADDR_IN addr;
memset( &addr, 0, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;// 要连接的游戏服务器端口号
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr( IP );// 要连接的游戏服务器IP地址，
addr.sin_port = htons( Port );//到此，客户端和服务器已经有了通讯的桥梁，
//接下来就是进行数据的发送和接收：
connect( sSocket, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(addr) );
if( send( sSocket, pBuffer, lLength, 0 ) == SOCKET_ERROR )
{
　Failed( "WinSocket Send Error!");
}
　　这里的pBuffer为要发送的数据缓冲指针，lLength为需要发送的数据长度，通过这支Socket API函数，我们无论在客户端或者服务端都可以进行数据的发送工作，同时，我们可以通过recv()这支Socket API函数来进行数据接收： if( recv( sSocket, pBuffer, lLength, 0 ) == SOCKET_ERROR )
{
　Failed( "WinSocket Recv Error!");
}
　　其中pBuffer用来存储获取的网络数据缓冲，lLength则为需要获取的数据长度。
　　现在，我们已经了解了一些网络互连的基本知识，但作为网络游戏，如此简单的连接方式是无法满足网络游戏中百人千人同时在线的，我们需要更合理容错性更强的网络通讯处理方式，当然，我们需要先了解一下网络游戏对网络通讯的需求是怎样的。
　　大家知道，游戏需要不断循环处理游戏中的逻辑并进行游戏世界的绘制，上面所介绍的Winsock处理方式均是以阻塞方式进行，这样就违背了游戏的执行本质，可以想象，在客户端连接到服务器的过程中，你的游戏不能得到控制，这时如果玩家想取消连接或者做其他处理，甚至显示一个最基本的动态连接提示都不行。
　　所以我们需要用其他方式来处理网络通讯，使其不会与游戏主线相冲突，可能大家都会想到：创建一个网络线程来处理不就可以了？没错，我们可以创建一个专门用于网络通讯的子线程来解决这个问题。当然，我们游戏中多了一个线程，我们就需要做更多的考虑，让我们来看看如何创建网络通讯线程。
　　在Windows系统中，我们可以通过CreateThread()函数来进行线程的创建，看看下面的代码片段：

DWORD dwThreadID;
HANDLE hThread = CreateThread( NULL, 0, NetThread/*网络线程函式*/, sSocket, 0, &dwThreadID );
if( hThread == NULL )
{
　Failed( "WinSocket Thread Create Error!");
}
　　这里我们创建了一个线程，同时将我们的Socket传入线程函数：

DWORD WINAPINetThread(LPVOID lParam)

{
　SOCKET sSocket (SOCKET)lParam;
　...
　return 0;
}
　　NetThread就是我们将来用于处理网络通讯的网络线程。那么，我们又如何把Socket的处理引入线程中？
　　看看下面的代码片段：
HANDLE hEvent;
hEvent = CreateEvent(NULL,0,0,0);
// 设置异步通讯
if( WSAEventSelect( sSocket, hEvent,
FD_ACCEPT|FD_CONNECT|FD_READ|FD_WRITE|FD_CLOSE ) ==SOCKET_ERROR )
{
　Failed( "WinSocket EventSelect Error!");
}

　　通过上面的设置之后，WinSock API函数均会以非阻塞方式运行，也就是函数执行后会立即返回，这时网络通讯会以事件方式存储于hEvent，而不会停顿整支程式。
　　完成了上面的步骤之后，我们需要对事件进行响应与处理，让我们看看如何在网络线程中获得网络通讯所产生的事件消息：

WSAEnumNetworkEvents( sSocket, hEvent, &SocketEvents );
if( SocketEvents.lNetworkEvents != 0 )
{
　switch( SocketEvents.lNetworkEvents )
　{
　　case FD_ACCEPT:
　　　WSANETWORKEVENTS SocketEvents;
　　　break;
　　case FD_CONNECT:
　　{
　　　if( SocketEvents.iErrorCode[FD_CONNECT_BIT] == 0)
　　　// 连接成功　
　　　{
　　　// 连接成功后通知主线程（游戏线程）进行处理
　　　}
　　}
　　　break;
　　case FD_READ:
　　// 获取网络数据
　　{
　　　if( recv( sSocket, pBuffer, lLength, 0) == SOCKET_ERROR )
　　　{
　　　　Failed( "WinSocket Recv Error!");
　　　}
　　}
　　　break;
　　case FD_WRITE:
　　　break;
　　case FD_CLOSE:
　　　// 通知主线程（游戏线程），网络已经断开
　　　break;
　　default:
}
}

　　这里仅对网络连接(FD_CONNECT) 和读取数据(FD_READ) 进行了简单模拟操作，但实际中网络线程接收到事件消息后，会对数据进行组织整理，然后再将数据回传给我们的游戏主线程使用，游戏主线程再将处理过的数据发送出去，这样一个往返就构成了我们网络游戏中的数据通讯，是让网络游戏动起来的最基本要素。
　　最后，我们来谈谈关于网络数据包（数据封包）的组织，网络游戏的数据包是游戏数据通讯的最基本单位，网络游戏一般不会用字节流的方式来进行数据传输，一个数据封包也可以看作是一条消息指令，在游戏进行中，服务器和客户端会不停的发送和接收这些消息包，然后将消息包解析转换为真正所要表达的指令意义并执行。
互动与管理
　　说到互动，对于玩家来说是与其他玩家的交流，但对于计算机而言，实现互动也就是实现数据消息的相互传递。前面我们已经了解过网络通讯的基本概念，它构成了互动的最基本条件，接下来我们需要在这个网络层面上进行数据的通讯。遗憾的是，计算机并不懂得如何表达玩家之间的交流，因此我们需要提供一套可让计算机了解的指令组织和解析机制，也就是对我们上面简单提到的网络数据包（数据封包）的处理机制。
为了能够更简单的给大家阐述网络数据包的组织形式，我们以一个聊天处理模块来进行讨论，看看下面的代码结构：
struct tagMessage{
　long lType;
　long lPlayerID;
};
// 消息指令
// 指令相关的玩家标识
char strTalk[256]; // 消息内容
　　上面是抽象出来的一个极为简单的消息包结构，我们先来谈谈其各个数据域的用途：
　　首先，lType 是消息指令的类型，这是最为基本的消息标识，这个标识用来告诉服务器或客户端这条指令的具体用途，以便于服务器或客户端做出相应处理。lPlayerID 被作为玩家的标识。大家知道，一个玩家在机器内部实际上也就是一堆数据，特别是在游戏服务器中，可能有成千上万个玩家，这时候我们需要一个标记来区分玩家，这样就可以迅速找到特定玩家，并将通讯数据应用于其上。
　　strTalk 是我们要传递的聊天数据，这部分才是真正的数据实体，前面的参数只是数据实体应用范围的限定。
　　在组织完数据之后，紧接着就是把这个结构体数据通过Socket 连接发送出去和接收进来。这里我们要了解，网络在进行数据传输过程中，它并不关心数据采用的数据结构，这就需要我们把数据结构转换为二进制数据码进行发送，在接收方，我们再将这些二进制数据码转换回程序使用的相应数据结构。让我们来看看如何实现：
tagMessageMsg;
Msg.lTypeMSG_CHAT;
Msg.lPlayerID 1000;
strcpy( &Msg.strTalk, "聊天信息" );
　　首先，我们假设已经组织好一个数据包，这里MSG_CHAT 是我们自行定义的标识符，当然，这个标识符在服务器和客户端要统一。玩家的ID 则根据游戏需要来进行设置，这里1000 只作为假设，现在继续：

char* p = (char*)&Msg;
long lLength = sizeof( tagMessage );
send( sSocket, p, lLength );
// 获取数据结构的长度

　　我们通过强行转换把结构体转变为char 类型的数据指针，这样就可以通过这个指针来进行流式数据处理，这里通过

sizeof() 获得结构体长度，然后用WinSock 的Send() 函数将数据发送出去。

　　接下来看看如何接收数据：

long lLength = sizeof( tagMessage );
char* Buffer = new char[lLength];
recv( sSocket, Buffer, lLength );
tagMessage* p = (tagMessage*)Buffer;
// 获取数据

　　在通过WinSock 的recv() 函数获取网络数据之后，我们同样通过强行转换把获取出来的缓冲数据转换为相应结构体，这样就可以方便地对数据进行访问。（注：强行转换仅仅作为数据转换的一种手段，实际应用中有更多可选方式，这里只为简洁地说明逻辑）谈到此处，不得不提到服务器/ 客户端如何去筛选处理各种消息以及如何对通讯数据包进行管理。无论是服务器还是客户端，在收到网络消息的时候，通过上面的数据解析之后，还必须对消息类型进行一次筛选和派分，简单来说就是类似Windows 的消息循环，不同消息进行不同处理。这可以通过一个switch 语句（熟悉Windows 消息循环的朋友相信已经明白此意），基于消
息封包里的lType 信息，对消息进行区分处理，考虑如下代码片段：
switch( p->lType ) // 这里的p->lType为我们解析出来的消息类型标识
{
　case MSG_CHAT: // 聊天消息
　　break;
　case MSG_MOVE: // 玩家移动消息
　　break;
　case MSG_EXIT: // 玩家离开消息
　　break;
　default:
　　break;
}

　　上面片段中的MSG_MOVE 和MSG_EXIT 都是我们虚拟的消息标识（一个真实游戏中的标识可能会有上百个，这就需要考虑优化和优先消息处理问题）。此外，一个网络游戏服务器面对的是成百上千的连接用户，我们还需要一些合理的数据组织管理方式来进行相关处理。普通的单体游戏服务器，可能会因为当机或者用户过多而导致整个游戏网络瘫痪，而这也就引入分组服务器机制，我们把服务器分开进行数据的分布式处理。
　　我们把每个模块提取出来，做成专用的服务器系统，然后建立一个连接所有服务器的数据中心来进行数据交互，这里每个模块均与数据中心创建了连接，保证了每个模块的相关性，同时玩家转变为与当前提供服务的服务器进行连接通讯，这样就可以缓解单独一台服务器所承受的负担，把压力分散到多台服务器上，同时保证了数据的统一，而且就算某台服务

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