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# 帧同步开发框架

将帧同步项目 https://github.com/dudu502/LittleBee 帧同步核心部分提取出SDK，本SDK基于netstandard2.0。提供服务端，客户端的SDK部分。目前主要的代码案例用Unity编写客户端，dotnetcore控制台程序为服务端。

## 项目结构如下

- `Docs/`
  - `Diagrams/`: 说明文件。  
  - `Protocols/`: 协议工具和配置。  
- `Engine/`: SDK目录。 
  - `Client/`: 供客户端项目使用的库，引用Common项目，基于netstandard2.0项目。
  - `Common/`: Client和Server项目的基础引用库，基于netstandard2.0项目。
  - `Server/`: 供服务端项目使用的库，引用Common项目，基于netstandard2.0项目。
- `Examples/`: 案例项目。
  - `Clients/`: 目前有一个案例项目，使用Unity开发。
  - `Servers/`: 目前一个netcore控制台程序。

## 说明
### API
SDK中找到Context类，这是框架的主类，这个类很重要它是整个SDK的入口，在客户端和服务端中都用这个类作为程序入口，都是相似API的用法，默认Context的name分为服务端和客户端，使用的时候根据需要选择client或server类型来构造Context实例。
```csharp
public const string CLIENT = "client";
public const string SERVER = "server";
```
在构造方法里传入name来指定对应的Context：
```csharp
Context clientContext = new Context(Context.CLIENT);
Context serverContext = new Context(Context.SERVER);
```
对应的获取方法：
```csharp
Context context = Context.Retrieve(name);
```
在SDK内或自定义游戏中均可以通过上述的方法获取Context对象。再通过Context对象可以方便获取其他对象和数据。

这是Context的类关系图，Context中包含SDK所有提供给开发者的功能模块入口。
```mermaid 
classDiagram
 class INetworkServer{
 +Send(IPEndPoint ep,ushort messageId,byte[] data)
 +Send(int clientId,ushort messageId,byte[] data)
 +Send(int[] clientIds,ushort messageId,byte[] data)
 +Send(ushort messageId,byte[] data)
 +Run(int port)
 +int GetActivePort()
 }
 class INetworkClient{
 +Send(ushort messageId,byte[] data)
 +Connect()
 +Connect(string ip,int port,string key)
 +Close()
 int GetActivePort()
 }
 class SimulationController{
 +GetFrameMsLength()
 +GetFrameLerp()
 +UpdateFrameMsLength(float factor)
 +CreateSimulation(Simulation sim,ISimulativeBehaviour[] bhs)
 +Start(DateTime sTime,int hist_kf_cout,Action<float> progress,Action runner)
 +Stop()
 +GetSimulation()
 +DisposeSimulation()
 }
 class Simulation{
 +Start()
 +GetBehaviour()
 +ContainBehaviour(ISimulativeBehaviour beh)
 +AddBehaviour(ISimulativeBehaviour beh)
 +RemoveBehaviour(ISimulativeBehaviour beh)
 +Run()
 }
 class ISimulativeBehaviour{
 +Start()
 +Update()
 +Stop()
 }
 class Context { 
 +INetworkServer Server 
 +INetworkClient Client 
 +ILogger Logger 
 +string name
 +Context(string name,INetworkClient client,ILogger logger)
 +Context(string name,INetworkServer server,ILogger logger)
 +Context(string name,ILogger logger)
 +static Retrieve(string name)
 +Context SetSimulationController(SimulationController controller)
 +SimulationController GetSimulationController()
 +GetMeta(string name,string defaultValue)
 +SetMeta(string name,string value)
 +Context SetModule(AbstractModule module)
 +M GetModule<M>()
 +Context RemoveModule(Type type)
 } 
``` 
ContextMetaId中定义的内置类型如下，这些类型会在SDK内部使用，用户还可以通过Context.SetMeta和Context.GetMeta来存储和读取自定义类型。
```csharp
public sealed class ContextMetaId
{
 public const string USER_ID = "user_id";
 public const string SERVER_ADDRESS = "server_address";
 public const string MAX_CONNECTION_COUNT = "max_connection_count";
 public const string ROOM_MODULE_FULL_PATH = "room_module_full_path";
 public const string STANDALONE_MODE_PORT = "standalone_mode_port";
 public const string GATE_SERVER_PORT = "gate_server_port";
 public const string SELECTED_ROOM_MAP_ID = "selected_room_map_id";
 public const string PERSISTENT_DATA_PATH = "persistent_data_path";
}
```
### 服务端代码案例
服务器分Gate和Battle两部分，Gate服务旨在提供用户一个大厅服务，让用户登录进来，每一个用户有一个不同的uid，这个uid目前仅用不同的字符串区别测试就可以，正式项目应该是数据库中的guid以确保每一个用户的id是唯一的。在这个Gate服务中提供用户创建房间，加入房间，离开房间等有关组队的服务。当多用户在房间内开启战斗的时候Gate服务会开启Battle服务的新进程并告知这些用户进入Battle服务。每一个战斗都会开启一个新的Battle进程。在Battle服务中具体实现了同步关键帧给所有用户的服务。

如下是Gate服务端的代码案例：
```csharp
const string TAG = "gate-room";
static void Main(string[] args)
{
    // 使用Context.SERVER 构造Context
    Context context = new Context(Context.SERVER, new LiteNetworkServer(TAG), new DefaultConsoleLogger(TAG))
        .SetMeta(ContextMetaId.ROOM_MODULE_FULL_PATH, "battle_dll_path.dll")// the battle project's build path.
        .SetMeta(ContextMetaId.MAX_CONNECTION_COUNT,"16")
        .SetMeta(ContextMetaId.SERVER_ADDRESS,"127.0.0.1")
        .SetModule(new RoomModule());
    context.Server.Run(9030);
    Console.ReadLine();
}
```
- *构造Context主类，传入name是"server"。传入LiteNetworkServer实例*
- *必须设置的内置Meta数据，配置battle部分dll路径，这个路径的程序会以进程的方式单独启动*
- *必须设置的内置Meta数据，配置最大连接数*
- *必须设置的内置Meta数据，服务器地址*
- *添加模块RoomModule，该模块用来管理登录用户的创建房间，加入房间，离开房间等*

接下来是Battle项目案例：
```csharp
static void Main(string[] args)
{
    string key = "SomeConnectionKey";
    int port = 50000;
    uint mapId = 1;
    ushort playerNumber = 100;
    int gsPort = 9030;
    // 一些从Gate服务中传入的参数
    if (args.Length > 0)
    {
        if (Array.IndexOf(args, "-key") > -1) key = args[Array.IndexOf(args, "-key") + 1];
        if (Array.IndexOf(args, "-port") > -1) port = Convert.ToInt32(args[Array.IndexOf(args, "-port") + 1]);
        if (Array.IndexOf(args, "-mapId") > -1) mapId = Convert.ToUInt32(args[Array.IndexOf(args, "-mapId") + 1]);
        if (Array.IndexOf(args, "-playernumber") > -1) playerNumber = Convert.ToUInt16(args[Array.IndexOf(args, "-playernumber") + 1]);
        if (Array.IndexOf(args, "-gsPort") > -1) gsPort = Convert.ToInt32(args[Array.IndexOf(args, "-gsPort") + 1]);
    }
    Context context = new Context(Context.SERVER, new LiteNetworkServer(key), new DefaultConsoleLogger(key))
        .SetMeta(ContextMetaId.MAX_CONNECTION_COUNT, playerNumber.ToString())
        .SetMeta(ContextMetaId.SELECTED_ROOM_MAP_ID, mapId.ToString())
        .SetMeta(ContextMetaId.GATE_SERVER_PORT, gsPort.ToString())
        .SetModule(new BattleModule());
    SimulationController simulationController = new SimulationController();
    simulationController.CreateSimulation(new Simulation(),new ISimulativeBehaviour[] { new ServerLogicFrameBehaviour() });
    context.SetSimulationController(simulationController);
    context.Server.Run(port);
    Console.ReadKey();
}
```
- *构造Context主类，传入name是"server"。传入LiteNetworkServer实例*
- *必须设置的内置Meta数据，配置最大连接数*
- *必须设置的内置Meta数据，设置地图Id*
- *必须设置的内置Meta数据，设置Gate服务端的端口*
- *添加模块BattleModule，该模块处理帧同步的具体细节*

### 客户端代码案例
客户端部分的代码也和服务端的类似，都是通过Context主类来设置的，下面是案例1代码：
```csharp
void Awake(){
 // 用Context.CLIENT构造Context，客户端的Context还需要指定SimulationController等，因此比服务端的Context稍微复杂一些
 MainContext = new Context(Context.CLIENT, new LiteNetworkClient(), new UnityLogger("Unity"));
 MainContext.SetMeta(ContextMetaId.STANDALONE_MODE_PORT, "50000")
 .SetMeta(ContextMetaId.PERSISTENT_DATA_PATH, Application.persistentDataPath);
 MainContext.SetModule(new GateServiceModule()) //大厅组队相关服务
 .SetModule(new BattleServiceModule()); //帧同步服务
 // 构造模拟器控制器，SDK提供了一个Default版本的控制器，一般情况下用Default就可以了
 DefaultSimulationController defaultSimulationController = new DefaultSimulationController();
 MainContext.SetSimulationController(defaultSimulationController);
 defaultSimulationController.CreateSimulation(new DefaultSimulation(),new EntityWorld(),
 new ISimulativeBehaviour[] {
 new FrameReceiverBehaviour(), //收取服务器的帧数据并处理
 new EntityBehaviour(), //执行ECS中System
 },
 new IEntitySystem[]
 {
 new AppearanceSystem(), //外观显示系统
 new MovementSystem(), //自定义移动系统，计算所有Movement组件
 new ReboundSystem(), //自定义反弹系统
 });
 EntityWorld entityWorld = defaultSimulationController.GetSimulation<DefaultSimulation>().GetEntityWorld();
 entityWorld.SetEntityInitializer(new GameEntityInitializer(entityWorld)); // 用于初始化和构造Entity
 entityWorld.SetEntityRenderSpawner(new GameEntityRenderSpawner(entityWorld,GameContainer)); //ECSR中Renderer的构造
}
```
- *必须设置的内置Meta数据，设置程序数据目录*
- *设置GateServiceModule，用于连接Gate服务端*
- *设置BattleServiceModule，用于连接Battle服务端，帧同步的细节在这里定义*
- *设置模拟器Simulation控制器，并在控制器内设置模拟器和ECSR配置*
- *Behaviour设置*
 - *（必须）逻辑帧号管理和处理*
 - *（必须）ECSR逻辑执行*
- *ECSR中S配置*
 - *（可选）物体加载和显示系统*
 - *（可选）移动系统*
 - *（可选）反弹系统，可以在案例1视频中看到球与墙面的反弹*

### 案例1视频

https://github.com/user-attachments/assets/75d00d10-824e-459d-87e1-5000da1ee7cf

这个案例展示了多个实体在两个客户端中同步运行的结果。在运行过程中物体不能被控制，因此这个案例也是最简单的案例，所有物体在初始化那一刻他们的运动随逻辑帧的变化都是确定的。

### 案例2视频

https://github.com/user-attachments/assets/66622bac-50d7-44ad-8afa-cac510a5132b

这个案例展示用户可以控制物体运动，并且在多个客户端中都能同步物体运动的变化。

### 案例测试API
所有的案例项目均引用了 https://github.com/omid3098/OpenTerminal 库用来显示测试命令方便调试API，按下键盘 '`' 打开命令行。

| OpenTerminal命令 | SDK中的API | 备注 | 
|:--------|:---------|:--------| 
|setuid | contextInst.SetMeta(ContextMetaId.USER_ID, uid); | 设置Context中的用户数据 | 
|connect | contextInst.Client.Connect(127.0.0.1, 9030, "gate-room"); | 默认连接到服务器 | 
|connect-ip-port-key | contextInst.Client.Connect(ip, port, key); | 连接到指定服务器 | 
|create | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestCreateRoom(mapid);| 连接到服务器后创建房间 | 
|join | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestJoinRoom(roomId);| 加入到指定房间 | 
|leave | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestLeaveRoom();| 离开指定房间 | 
|roomlist | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestRoomList();| 刷新房间列表 | 
|launch | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestLaunchGame();| 开始游戏 | 
|updateteam | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestUpdatePlayerTeam(roomId, userId, teamId);| 在房间内更新房间数据 | 
|updatemap | contextInst.GetModule<GateServiceModule>().RequestUpdateMap(roomId, mapId, maxPlayerCount);| 在房间内更换地图 | 
|stop | 请查看Sample.cs及其子类中Stop方法| 结束游戏 | 
|drawmap | 请查看Sample.cs及其子类中DrawMap方法| 绘制地图 | 
|saverep | 请查看Sample.cs及其子类中SaveReplay方法| 保存回放（录像） | 
|playrep | 请查看Sample.cs及其子类中PlayReplay方法| 保存回放（录像） |

### 数据结构
下面列出SDK中一些关键的数据结构，这些也可以成为协议结构体，这些可以序列化和反序列化并且支持字段可选数据结构在SDK中大量使用。可以通过Docs/Protocols/中的工具生成，形如：
```csharp
public class PtMyData
{
  //Fields
  public static byte[] Write(PtMyData value){}
  public static PtMyData Read(byte[] bytes){}
}
```

| 类名 | 字段 | 备注 |
|:--------|:---------|:--------| 
|PtFrame|string EntityId PtComponentUpdaterList Updater byte[] NewEntitiesRaw|一个关键帧数据|
|PtFrames|int FrameIdx List<PtFrame> KeyFrames|在某一帧的所有关键帧集合|
|PtMap|string Version EntityList Entities|地图数据|
|PtReplay|string Version uint MapId List<EntityList> InitEntities List<PtFrames> Frames|录像（回放）数据|

## 录像（回放）机制
录像（回放）机制是帧同步技术中最有特点的机制，也是一个绕不开的点。SDK中也有录像的保存加载。

## 帧同步模拟器
帧同步模拟器是SDK中执行帧同步的关键部分，重点需要不同设备在启动后经过一段时间后所有的设备都能保持一致的帧数，这就需要在每次tick的时候通过DateTime校准，要做到这点需要解决本地时间流逝和逻辑TICK之间的关系。详细代码可以打开[SimulationController.cs](https://github.com/dudu502/littlebee_libs/blob/main/Engine/Common/Lockstep/SimulationController.cs) 文件查看。

# 项目任务  
- [x] SDK基本功能部分 
  - [x] 大厅服务和帧同步服务
  - [x] 基于二进制的协议
  - [x] 地图绘制保存和加载
  - [x] 录像（回放）保存和加载重播
  - [x] 会派发各阶段的加载事件，在案例中也做了进度条显示
- [x] 两个帧同步的简单案例
  - [x] 案例1：上百个物体与四个墙面碰撞
  - [x] 案例2：多用户对物体的控制
- [x] 断线重连（可以在上述两个简单案例中测试，重连的客户端用相同的uid重新加入房间即可）
- [ ] 一个简单RTS游戏（包含主角，野怪，敌人）的打斗 (正在做)
- [ ] 物理引擎同步（暂无计划）

# 引用  
- https://github.com/omid3098/OpenTerminal 方便的调试命令插件
- https://github.com/RevenantX/LiteNetLib UDP网络库

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