Игре у облаку отвореног кода на ВебРТЦ-у: п2п, мултиплаиер, нулта латенција

Софтвер као услуга, инфраструктура као услуга, платформа као услуга, комуникациона платформа као услуга, видео конференције као услуга, шта је са играњем у облаку као услугом? Већ је било неколико покушаја да се креира игрица у облаку (Цлоуд Гаминг), као што је Стадиа, коју је недавно покренуо Гоогле. Стадиа није ново у ВебРТЦ-у, али да ли други могу да користе ВебРТЦ на исти начин?

Тханх Нгуиен је одлучио да тестира ову прилику на свом пројекту отвореног кода ЦлоудРетро. ЦлоудРетро је заснован на Пиону, популарној ВебРТЦ библиотека заснована на Го (хвала Показано од развојног тима Пион за њихову помоћ у припреми овог чланка). У овом чланку, Тханх даје преглед архитектуре свог пројекта, а такође говори о томе које корисне ствари је научио и са којим изазовима се сусрео током свог рада.

Улазак

Прошле године, када је Гугл најавио Стадиа, то ме је одувало. Идеја је толико јединствена и иновативна да сам се стално питао како је то уопште могуће са постојећом технологијом. Жеља да боље разумем ову тему ме је подстакла да направим сопствену верзију игре у облаку отвореног кода. Резултат је био једноставно фантастичан. У наставку бих желео да поделим процес рада на мојој години пројекат.

ТЛДР: кратка верзија слајдова са истакнутим детаљима

Зашто је играње у облаку будућност

Верујем да ће Цлоуд Гаминг ускоро постати следећа генерација не само игара, већ и других области рачунарске науке. Играње у облаку је врхунац модела клијент/сервер. Овај модел максимизира бацкенд управљање и минимизира рад фронтенда тако што хостује логику игре на удаљеном серверу и стримује слике/аудио до клијента. Сервер обавља тешку обраду тако да клијент више није на милости хардверских ограничења.

Гоогле Стадиа вам у суштини омогућава да играте ААА игре (тј. врхунске блокбастер игре) на интерфејсу као што је ИоуТубе. Иста методологија се може применити на друге тешке офлајн апликације као што су оперативни систем или 2Д/3Д графички дизајн, итд. тако да их можемо доследно покретати на уређајима ниских спецификација на више платформи.

Будућност ове технологије: Замислите да је Мицрософт Виндовс 10 покренут на Цхроме претраживачу?

Играње у облаку је технички изазовно

Играње је једна од оних ретких области где је потребан константан, брз одговор корисника. Ако повремено наиђемо на кашњење од 2 секунде када кликнемо на страницу, то је прихватљиво. Видео стреамови уживо обично касне неколико секунди, али и даље нуде разумну употребљивост. Међутим, ако игра често заостаје за 500 мс, једноставно се не може играти. Наш циљ је да постигнемо изузетно ниско кашњење како би јаз између инпута и медија био што мањи. Стога, традиционални приступ видео стримингу овде није применљив.

Општи шаблон игре у облаку

Пројекат отвореног кода ЦлоудРетро

Одлучио сам да направим пробни узорак игре у облаку да видим да ли је све ово могуће са тако строгим мрежним ограничењима. Одабрао сам Голанг за доказ концепта јер је то био језик који ми је био најпознатији и био је веома погодан за ову имплементацију из многих других разлога, како сам касније открио. Го је једноставан и развија се веома брзо; Канали у Го-у су одлични за управљање вишенитношћу.

Пројекат ЦлоудРетро.ио је сервис за играње у облаку отвореног кода за ретро игре. Циљ пројекта је да традиционалним ретро игрицама донесе најудобније искуство играња и дода мултиплаиер.
Више о пројекту можете сазнати овде: https://github.com/giongto35/cloud-game.

ЦлоудРетро функционалност

ЦлоудРетро користи ретро игре да демонстрира моћ играња у облаку. Што вам омогућава да стекнете многа јединствена искуства играња.

• Преносивост игре
  • Тренутна репродукција при отварању странице; није потребно преузимање или инсталација
  • Ради у мобилном претраживачу, тако да није потребан софтвер за његово покретање

• Сесије игре се могу делити на више уређаја и чувати у облаку за следећи пут када се пријавите
• Игра се може стримовати или је може играти неколико корисника одједном:
  • Цровдплаи као ТвитцхПлаиПокемон, само више на више платформи и више у реалном времену
  • Оффлине игре на мрежи. Многи корисници могу да играју без подешавања мреже. Самураи Сходовн сада могу да играју 2 играча преко ЦлоудРетро мреже

  
  Демо верзија онлајн игре за више играча на различитим уређајима

  Инфраструктура

  Захтеви и технолошки скуп

  Испод је листа захтева које сам поставио пре почетка пројекта.

  1. Један играч
  Овај захтев можда овде не изгледа превише важан или очигледан, али то је један од мојих кључних закључака, омогућава игрању у облаку да остане што даље од традиционалних сервиса за стриминг. Ако се фокусирамо на игру за једног играча, можемо се ослободити централизованог сервера или ЦДН-а јер не морамо да стримујемо до маса. Уместо учитавања токова на сервер за пријем или прослеђивања пакета на централизовани ВебСоцкет сервер, токови услуга се испоручују директно кориснику преко пеер-то-пеер ВебРТЦ везе.

  2. Ниско кашњење медијског тока
  Читајући о Стадији, често видим да се ВебРТЦ помиње у неким чланцима. Схватио сам да је ВебРТЦ изванредна технологија и савршена за коришћење у игрицама у облаку. ВебРТЦ је пројекат који веб претраживачима и мобилним апликацијама пружа комуникацију у реалном времену преко једноставног АПИ-ја. Омогућава пеер-то-пеер конекцију, оптимизован је за медије и има уграђене стандардне кодеке као што су ВП8 и Х264.

  Дао сам приоритет обезбеђивању најбољег могућег корисничког искуства у односу на одржавање графике високог квалитета. Неки губици су прихватљиви у алгоритму. Гоогле Стадиа има додатни корак смањења величине слике на серверу, а оквири се повећавају на виши квалитет пре него што се преносе колегама.

  3. Дистрибуирана инфраструктура са географским рутирањем
  Без обзира на то колико су оптимизовани алгоритам компресије и код, мрежа је и даље одлучујући фактор који највише доприноси кашњењу. Архитектура мора имати механизам за упаривање сервера који је најближи кориснику да би се смањило време повратног путовања (РТТ). Архитектура мора имати 1 координатора и неколико сервера за стримовање дистрибуираних широм света: Запад САД, Исток САД, Европа, Сингапур, Кина. Сви сервери за стриминг морају бити потпуно изоловани. Систем може да прилагоди своју дистрибуцију када се сервер придружи или напусти мрежу. Дакле, уз велики промет, додавање додатних сервера омогућава хоризонтално скалирање.

  4. Компатибилност претраживача
  Игре у облаку су најбоље када од корисника најмање захтевају. То значи да је могуће покренути у претраживачу. Прегледачи помажу да се искуство играња учини што угоднијим за кориснике, штедећи их од инсталирања софтвера и хардвера. Прегледачи такође помажу у обезбеђивању функционалности на више платформи између мобилних и десктоп верзија. Срећом, ВебРТЦ је добро подржан у различитим претраживачима.

  5. Јасно раздвајање интерфејса игре и сервиса
  Ја гледам на услугу играња у облаку као на платформу. Свако треба да буде у могућности да повеже било шта са платформом. Сада сам се интегрисао ЛибРетро са услугом за игре у облаку јер ЛибРетро нуди прелеп интерфејс за емулатор игре за ретро игре као што су СНЕС, ГБА, ПС.

  6. Просторије за више играча, играње публике и екстерно повезивање (дубока веза) са игром
  ЦлоудРетро подржава многе нове игре као што су ЦровдПлаи и Онлине МултиПлаиер за ретро игре. Ако неколико корисника отвори исти дубоки линк на различитим рачунарима, видеће исту покренуту игру и чак ће моћи да јој се придруже.

  Штавише, стања игре се чувају у складишту у облаку. Ово омогућава корисницима да наставе да играју у било ком тренутку на било ком другом уређају.

  7. Хоризонтално скалирање
  Као и сваки СААС данас, играње у облаку мора бити дизајнирано да буде хоризонтално скалабилно. Дизајн координатор-радник вам омогућава да додате више радника да бисте опслуживали више саобраћаја.

  8. Нема везе са једним облаком
  ЦлоудРетро инфраструктура је хостована на различитим добављачима облака (Дигитал Оцеан, Алибаба, прилагођени провајдер) за различите регионе. Омогућавам покретање у Доцкер контејнеру за инфраструктуру и конфигуришем мрежна подешавања користећи басх скрипту како бих избегао закључавање у једном добављачу облака. Комбинујући ово са НАТ Траверсал у ВебРТЦ-у, можемо имати флексибилност да применимо ЦлоудРетро на било којој платформи у облаку, па чак и на машинама било ког корисника.

  Архитектонско пројектовање

  Радник: (или горе поменути сервер за стриминг) умножава игре, покреће цевовод за кодирање и преноси кодиране медије корисницима. Воркер инстанце су дистрибуиране по целом свету и сваки радник може истовремено да рукује са више корисничких сесија.

  Координатор: је одговоран за упаривање новог корисника са најпогоднијим радником за стримовање. Координатор комуницира са радницима преко ВебСоцкет-а.

  Складиштење стања игре: централно удаљено складиште за сва стања игре. Ово складиште пружа важне функције као што је даљинско чување/учитавање.

  
  Архитектура највишег нивоа ЦлоудРетро-а

  Цустом Сцрипт

  Када нови корисник отвори ЦлоудРетро у корацима 1 и 2 приказаним на доњој слици, координатор заједно са листом доступних радника се тражи на првој страници. Након тога, у кораку 3 клијент израчунава кашњења за све кандидате користећи ХТТП пинг захтев. Ова листа кашњења се затим шаље назад координатору како би он могао да одреди најпогоднијег радника који ће служити кориснику. Корак 4 испод креира игру. ВебРТЦ стриминг веза се успоставља између корисника и додељеног радника.
  
  Корисничка скрипта након добијања приступа

  Шта је унутар радника

  Цевоводи за игре и стримовање се чувају унутар радника у изолацији и тамо размењују информације преко интерфејса. Тренутно се ова комуникација одвија преносом података у меморију преко Голанг канали у истом процесу. Следећи циљ је сегрегација, тј. независно покретање игре у другом процесу.

  
  Интеракција радничких компоненти

  Главне компоненте:

  • ВебРТЦ: компонента клијента која прихвата кориснички унос и излази кодирани медиј са сервера.
  • Емулатор игре: компонента игре. Захваљујући Либретро библиотеци, систем је у могућности да покрене игру унутар истог процеса и интерно пресреће медије и улазни ток.
  • Оквири у игри се снимају и шаљу у кодер.
  • Кодер слике/аудио: цевовод за кодирање који узима медијске оквире, кодира их у позадини и емитује кодиране слике/аудио.

  Имплементација

  ЦлоудРетро се ослања на ВебРТЦ као своју технологију окоснице, па сам пре него што уђем у детаље имплементације Голанг-а одлучио да причам о самом ВебРТЦ-у. Ово је невероватна технологија која ми је у великој мери помогла у постизању кашњења испод секунде за стриминг података.

  ВебРТЦ

  ВебРТЦ је дизајниран да обезбеди висококвалитетне пеер-то-пеер везе на изворним мобилним апликацијама и претраживачима користећи једноставне АПИ-је.

  НАТ Траверсал

  ВебРТЦ је познат по својој НАТ Траверсал функционалности. ВебРТЦ је дизајниран за међусобну комуникацију. Његов циљ је да пронађе најприкладнију директну руту, избегавајући НАТ пролазе и заштитне зидове за међусобну комуникацију кроз процес тзв. ИЦЕ. Као део овог процеса, ВебРТЦ АПИ-ји проналазе вашу јавну ИП адресу користећи СТУН сервере и прослеђују је серверу за пренос (РЕД) када се не може успоставити директна веза.

  Међутим, ЦлоудРетро не користи у потпуности ову функцију. Његове пеер-то-пеер везе не постоје између корисника, већ између корисника и сервера у облаку. Серверска страна модела има мање ограничења за директну комуникацију него типични кориснички уређај. Ово вам омогућава да унапред отворите долазне портове или директно користите јавне ИП адресе, пошто сервер није иза НАТ-а.

  Раније сам желео да претворим пројекат у платформу за дистрибуцију игара за Цлоуд Гаминг. Идеја је била да се креаторима игара омогући да обезбеде игре и ресурсе за стриминг. И корисници би директно комуницирали са провајдерима. На овај децентрализован начин, ЦлоудРетро је само оквир за повезивање ресурса за стриминг независних произвођача са корисницима, чинећи га скалабилнијим када више није хостован. Улога ВебРТЦ НАТ Траверсал-а овде је веома важна за олакшавање иницијализације пеер-то-пеер везе на ресурсима за стриминг треће стране, што олакшава креатору да се повеже на мрежу.

  Видео компресија

  Видео компресија је неизоставан део цевовода и у великој мери доприноси глатком току. Иако није неопходно знати сваки детаљ ВП8/Х264 видео кодирања, разумевање концепата може вам помоћи да разумете опције брзине стримовања видео записа, отклоните неочекивано понашање и прилагодите кашњење.

  Компресовање видеа за услугу стримовања је изазовно јер алгоритам мора да обезбеди да укупно време кодирања + време мрежног преноса + време декодирања буде што је могуће ниже. Поред тога, процес кодирања мора бити доследан и континуиран. Неки компромиси кодирања се не примењују—на пример, не можемо дати предност дугим временима кодирања у односу на мање величине датотека и времена декодирања, или користити недоследну компресију.

  Идеја која стоји иза видео компресије је да се елиминишу непотребни делови информација уз одржавање прихватљивог нивоа тачности за кориснике. Поред кодирања појединачних статичких оквира слике, алгоритам закључује тренутни оквир из претходног и следећег, па се шаље само њихова разлика. Као што се може видети из примера са Пацманом, преносе се само диференцијалне тачке.

  
  Поређење видео оквира користећи Пацман као пример

  Аудио компресија

  Слично, алгоритам компресије звука изоставља податке које људи не могу да перципирају. Опус је тренутно најбољи аудио кодек. Дизајниран је за пренос аудио таласа преко наређеног протокола датаграма као што је РТП (Протокол транспорта у реалном времену). Његово кашњење је мање од мп3 и аац, а квалитет је већи. Латенција је обично око 5 ~ 66,5 мс.

  Пион, ВебРТЦ у Голангу

  Пион је пројекат отвореног кода који доноси ВебРТЦ на Голанг. Уместо уобичајеног омота матичних Ц++ ВебРТЦ библиотека, Пион је изворна Голанг имплементација ВебРТЦ-а са бољим перформансама, Го интеграцијом и контролом верзија на ВебРТЦ протоколима.

  Библиотека такође омогућава стримовање са пуно сјајних уграђених компоненти са кашњењем испод секунде. Има сопствену имплементацију СТУН, ДТЛС, СЦТП, итд. и неки експерименти са КУИЦ-ом и ВебАссембли-ом. Ова библиотека отвореног кода је заиста добар ресурс за учење са одличном документацијом, имплементацијама мрежног протокола и сјајним примерима.

  Пион заједница, коју води веома страствени креатор, прилично је живахна, са много квалитетних дискусија о ВебРТЦ-у. Ако сте заинтересовани за ову технологију, придружите се http://pion.ly/slack – научићете много нових ствари.

  Писање ЦлоудРетро-а на Голангу

  
  Имплементација радника у Го

  Иди на канале у акцији

  Захваљујући прелепом дизајну канала Го, проблеми стримовања догађаја и истовремености су у великој мери поједностављени. Као на дијаграму, различите ГоРоутине имају више компоненти које раде паралелно. Свака компонента управља својим стањем и комуницира путем канала. Голангова селективна тврдња присиљава један атомски догађај да се обради сваки пут у игри (тик игре). То значи да за овај дизајн није потребно закључавање. На пример, када корисник сачува, потребан је пун снимак стања игре. Ово стање би требало да остане континуирано, пријављивање док се снимање не заврши. Током сваког тикета игре, позадина може да обрађује само операцију чувања или уноса, чинећи нит процеса безбедном.

  func (e *gameEmulator) gameUpdate() {
  for {
  	select {
  		case <-e.saveOperation:
  			e.saveGameState()
  		case key := <-e.input:
  			e.updateGameState(key)
  		case <-e.done:
  			e.close()
  			return
  	}
      }
  }

  Фан-ин/Фан-оут

  Овај Голанг шаблон савршено одговара мом случају коришћења ЦровдПлаи-а и више играча. Пратећи овај образац, сви кориснички улази у једној просторији уграђени су у централни улазни канал. Медији за игре се затим распоређују свим корисницима у истој просторији. На овај начин постижемо поделу стања игре између неколико сесија игре различитих корисника.

  
  Синхронизација између различитих сесија

  Недостаци Голанга

  Голанг није савршен. Канал је спор. У поређењу са блокирањем, Го канал је једноставно лакши начин за руковање истовременим догађајима и догађајима са нитима, али канал не пружа најбоље перформансе. Испод канала постоји сложена логика блокирања. Зато сам направио нека прилагођавања имплементације, поново примењујући закључавања и атомске вредности приликом замене канала да бих оптимизовао перформансе.

  Поред тога, сакупљачем смећа у Голангу се не управља, што понекад изазива сумњиво дуге паузе. Ово у великој мери омета апликацију за стриминг у реалном времену.

  ЦГО

  Пројекат користи постојећу Голанг ВП8/Х264 библиотеку отвореног кода за компресију медија и Либретро за емулаторе игара. Све ове библиотеке су једноставно омоти Ц библиотеке у Го-у ЦГО. Неки од недостатака су наведени у овај пост Даве Цхенеи. Проблеми на које сам наишао:

  • немогућност да се ухвати пад у ЦГО, чак и са Голанг РецовериЦрасх;
  • неуспех да идентификујемо уска грла у перформансама када нисмо у могућности да откријемо детаљне проблеме у ЦГО.

  Закључак

  Постигао сам свој циљ да разумем услуге игара у облаку и креирам платформу која ми помаже да играм носталгичне ретро игре са својим пријатељима на мрежи. Овај пројекат не би био могућ без Пион библиотеке и подршке Пион заједнице. Изузетно сам захвалан на његовом интензивном развоју. Једноставни АПИ-ји које обезбеђују ВебРТЦ и Пион обезбедили су беспрекорну интеграцију. Мој први доказ концепта објављен је исте недеље, иако нисам имао претходно знање о комуникацији између равноправних (пеер-то-пеер) (П2П).

  Упркос лакоћи интеграције, П2П стриминг је заиста веома сложена област у рачунарској науци. Она мора да се носи са сложеношћу дугогодишњих мрежних архитектура као што су ИП и НАТ да би креирала сесију равноправних корисника. Радећи на овом пројекту, стекао сам многа драгоцена знања о умрежавању и оптимизацији перформанси, тако да охрабрујем све да покушају да направе П2П производе користећи ВебРТЦ.

  ЦлоудРетро задовољава све случајеве употребе које сам очекивао из моје перспективе као ретро играча. Међутим, мислим да постоје многе области у пројекту које могу да побољшам, као што је стварање мреже поузданијом и ефикаснијом, пружање квалитетније графике игара или могућност дељења игара између корисника. Напорно радим на овоме. Молим вас пратите пројекат и подржите ако вам се свиђа.

Извор: ввв.хабр.цом