[Unreal] Replication

멀티플레이어 게임

멀티플레이어 게임에서는 동일한 게임이 여러 인스턴스에서 동시에 실행되어야 한다.
- 공유된 세계에 대해 일관된, 동일한 그림을 그려내야 한다

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Server는 각 Game Instance에 대해 Authority를 가진다
Server에서 무언가 변경되면 해당 변경 사항은 각 Game Instance에 전파되는데, 이 프로세스가 바로 Replication(복제)이다

Replication

Unreal 자체에 내장된 first class 기능
소켓이나 패킷, 직렬화, 인코딩 등을 관리하지 않아도 된다.
특정 Property를 복제하겠다고 선언하면 된다.

NetMode

// World가 가지는 속성
ENetMode UWorld::GetNetMode() const;

// EngineBaseTypes.h
/**
 * The network mode the game is currently running.
 * @see https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Gameplay/Networking/Overview/
 */
enum ENetMode
{
  /** Standalone: a game without networking, with one or more local players. Still considered a server because it has all server functionality. */
  NM_Standalone,

  /** Dedicated server: server with no local players. */
  NM_DedicatedServer,

  /** Listen server: a server that also has a local player who is hosting the game, available to other players on the network. */
  NM_ListenServer,

  /**
   * Network client: client connected to a remote server.
   * Note that every mode less than this value is a kind of server, so checking NetMode < NM_Client is always some variety of server.
   */
  NM_Client,

  NM_MAX,
};

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Playable? - 플레이 가능한가?
- GameInstance에 LocalPlayer가 있는가?
- Player의 Input을 처리하는가?
- Viewport를 Rendering 하는가?
Authority? - Server인가?
- GameMode Actor가 포함된 World인가?
- GameMode는 게임 플레이 전반의 핵심 로직을 정의하는 non-visual class이다
- 이 Actor가 World에 있다는 것은 해당 World가 게임의 핵심 로직을 실행하고 관리하는 주체라는 의미이다
  - 즉, 이 World는 서버(Authority) 역할을 수행하고 있다는 뜻이다
Open to Client? - Client의 참여가 가능한가?
- 연결 시도에 대해 열려 있는가?
- 다른 플레이어가 클라이언트로서 참여할 수 있는가?

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Game이 실행되면 프로세스 수명을 가지는 GameInstance와 연결되어 URL(서버 주소 혹은 Map 이름)를 통해 Map을 로드한다
- 그리고 World를 반환 받는다

NM_Client

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GameInstance가 원격 서버에 연결되었다면, 해당 World는 NM_Client가 된다
- 서버의 요청에 따라 월드가 업데이트된다

NM_Standalone

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GameInstance가 로컬로 Map을 로드한 경우에는 NM_Standalone
- Server이자 Client 역할을 모두 수행한다
- 단일 플레이어 구성으로, Client가 연결할 수 없다

NM_ListenServer

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로컬에서 Map을 로드하면서 ?Listen 옵션과 함께 실행
- Standalone과 동일하지만 Client가 연결할 수 있다

NM_DedicatedServer

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ServerOnly 콘솔 어플리케이션이다
- Viewport도 Local Player도 없다

Listen Server vs. Dedicated Server

	Listen Server	Dedicated Server
게임 규모와 플레이어 수	소규모 게임 (보통 2-8명), 친구들과의 캐주얼한 게임에 적합	대규모 게임 (수십 명 이상), MMO나 배틀로얄 같은 경쟁적 게임에 필요
성능과 안정성	호스트 플레이어의 하드웨어와 네트워크에 의존하므로 성능이 불안정할 수 있음	전용 서버 하드웨어로 일관된 성능 보장, 높은 틱레이트 유지 가능
공정성과 보안	호스트가 유리한 위치에 있고 (낮은 핑), 치팅에 더 취약	모든 플레이어가 동등한 조건, 서버 측 검증으로 보안 강화
개발 복잡성과 비용	구현이 간단하고 서버 운영 비용이 없음	복잡한 서버 로직, 인프라 구축 및 운영 비용 발생
게임 지속성	호스트가 나가면 게임이 종료되거나 마이그레이션 필요	플레이어 출입과 관계없이 게임 세션 유지
장르별 적합성	협동 게임, 파티 게임, 캐주얼 멀티플레이어	FPS, MOBA, MMO, 배틀로얄, 경쟁적 게임

Unreal Replication System

멀티플레이 게임을 실행하면 Background에서는 Replication System이 작동해 Sync를 맞춘다
각 GameInstance의 World를 구성하고, Replication System은 World에서 일어나는 일에 대해 검토 후 동시 실행을 처리한다
이 때 사용되는 class가 UNetDriver, UNetConnection, UNetChannel이다

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UNetDriver

서버와 클라이언트는 각각 UGameEngine 객체를 갖는다
일단 서버가 부팅하면, NetDriver가 생성된다
- 원격 프로세스의 메시지 수신을 시작한다
클라이언트가 부팅하면, 역시 NetDriver가 생성된다
- 서버 연결 요청을 전송한다

UNetConnection

서버와 클라이언트의 연결에 성공하면 NetConnection이 설정된다
서버는 각 원격 프로세스마다 개별 NetConnection을 가진다
각 클라이언트는 서버와 연결된 하나의 NetConnection을 가진다

UNetChannel

각 NetConnection에는 Channel이 포함된다
- 일반적으로 VoiceChannel, ControlChannel, ActorChannel 등이 있다
이제 어떤 Actor가 Replication 되기를 원한다면, 이 Actor가 Replication 되도록 세팅하면 된다

// IsNetRelevantFor(P0) => true;
bReplicates = true;

이 Actor에 대해 업데이트가 필요하다고 간주되면, 서버와 클라이언트는 이 Actor Channel을 열고 해당 Actor에 대한 정보를 교환한다

Actor Replication

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Actor가 Replication 될 때, 아래 3요소가 동기화 된다

Lifetime

서버가 Replicated Actor를 생성 또는 파괴하면, 클라이언트에서도 자체 사본을 생성 또는 파괴한다

Property Replication

Actor의 Property 중 Replicated 속성을 가지고 있으면 이 값의 업데이트는 서버에서 클라이언트로 전파된다

Remote Procedure Call

함수가 Multicast RPC라면, 서버가 해당 함수를 처리할 때 클라이언트에서도 해당 함수를 호출해야 한다고 전한다
Server RPC 또는 Client RPC로 단일 클라이언트와 서버 간의 통신을 할 수도 있다

Ownership

각 Actor는 다른 Actor를 Owner로 설정할 수 있다
- 보통은 Actor 생성 시에 정의된다
- SetOwner 함수로 Runtime에 변경도 가능하다
Player가 게임에 정상적으로 로그인하면 NetConnection은 PlayerController와 연결된다
- 즉, NetConnection은 PlayerController를 나타낸다
서버 관점에서, 이 NetConnection은 PlayerController를 소유하는 것이며, 즉 PlayerController가 소유한 Actor까지 소유한다
- 즉, PlayerController가 소유하는 모든 Actor는 NetConnection이 소유하는 것이다
- 이로써 서버가 클라이언트에 연결된 Actor를 판별할 수 있다

Relevancy

// 모든 클라이언트에 대해서 서버는 항상 Actor의 변경점을 전파한다
bAlwaysRelevant = true;

Replicated 된 Actor의 변경점을 다른 클라이언트에 전파할지 여부
- 모든 클라이언트에 대해 Relevant 할 수도 있다
- PlayerController처럼, 자신을 소유한 Client에 대해서만 Relevant 할 수도 있다
이 Relevancy는 Actor의 Owner를 inherit하도록 세팅할 수도 있다

// 특정 거리 이내의 Actor에 대해서만 업데이트하도록 세팅할 수도 있다
NetCullDistanceSquared = FMath::Sqaure(3000.f);

// 요 함수를 override 해서 조건을 커스터마이즈할 수 있다
bool AActor::IsNetRelevantFor(...)
{
  // ...
}

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그외에도 NetUpdateFrequency 및 NetPriority 등으로 업데이트 주기와 우선 순위를 할당할 수 있다
- NetPriority 에서 후순위로 할당된 경우, Transfer Byte 용량이 넘어서면 업데이트 전파가 안될 수 있다
- Skip 처리된 Actor와 플레이어에 가까운 Actor들은 높은 우선순위 보정을 받기 때문에 결국은 모두 업데이트가 되긴 한다
그러나 위와 같은 설정은 즉시 클라이언트로의 업데이트를 보장하지 않는다

RPC in Detail

UFUNCTION(Client)
void Client_DoSomething();

UFUNCTION(Server)
void Server_DoSomething();

UFUNCTION(Multicast)
void Multicast_DoSomething();

Client RPC

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서버에서 Client RPC를 호출하면, 함수의 실제 구현부는 해당 함수를 호출한 Actor의 OwningClient 쪽에서만 실행된다

Server RPC

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클라이언트에서 Server RPC를 호출하면, 함수의 실제 구현부는 Server에서만 실행된다
- 서버가 클라이언트로부터 데이터를 수집하는 방법

Multicast RPC

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서버에서 Multicast RPC를 호출하면, 서버 그리고 서버와 연결된 모든 클라이언트에서 실행된다

만약 클라이언트에서 Invoke한 변경점이 서버와 클라이언트 모두에 동기화되어야 한다면?

클라이언트에서 Server RPC를 호출해 서버 트리거
서버에서 Multicast RPC를 호출해 클라이언트로 전파

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이 경우에는 Relevancy 세팅에 의해 호출 여부가 결정된다
- 서버에서 발생한 SomwPawn의 변경점이 P0으로는 전파되고, P1으로는 전파되지 않는다

Reliable / Unreliable

UFUNCTION(Server, Reliable)
void Server_DoSomething();

UFUNCTION(Server, Unreliable)
void Server_DoSomething();

Reliable
- RPC 전파와 그 순서를 보장한다
- 과용할 경우 보틀넥 현상 혹은 패킷 자체가 loss 될 수 있다
Unreliable
- RPC 전파를 보장하지 않는다

Unreliable을 쓰는 경우?

연속적이고 빈번한 상태 업데이트
최신 값만 의미있고, 과거 값은 오히려 해로운 경우

WithValidation

// Server_DoSomething2가 Server RPC라 가정하자

// 이 함수는 Client 사이드에서 실행한다
void ASomeActor::DoSomething1()
{
  // ...
  Server_DoSomething2();
}

// 이 함수는 Server 사이드에서 실행한다
void ASomeActor::Server_DoSomething2_Implementation()
{
  // ...
}

// UFUNCTION(..., WithValidation)
bool ASomeActor::Server_DoSomething3_Validation()
{
  // 이 Server RPC가 fail을 반환하면, client는 그 즉시 게임에서 퇴장당한다
  return bCheated == false;
}

멀티 상황에서 로직 결과값을 보장하기 위한 방법 중 하나로 보인다
단순히 Client를 쫓아내는 것이 답인가?는 잘 모르겠다

Replicated Property in Detail

UFUNCTIONN(ReplicatedUsing=OnRep_OnUpdate)
int32 Property;

// Property 값이 업데이트 될때마다 Client 사이드에서 호출한다
UFUNCTION()
void OnRep_OnUpdate();

// Blueprint에서는 서버에서의 갑 변경 시 서버사이드에서도 호출하지만, C++ 구현 시에는 직접 호출해줘야 한다
{
  //...
  if (HasAuthority())
  {
    Property = 32;
    OnRep_OnUpdate();
  }
}

Authority

enum ENetRole
{
  ROLE_None,
  ROLE_SimulatedProxy,
  ROLE_AutonomousProxy,
  ROLE_Authority
}

//
{
  // 이 GameInstance가 NM_Standalone 이거나
  // NM_DedicatedServer 혹은 NM_ListenServer 이거나
  // NM_Client이고 이 Actor가 이 Client에서 스폰되었거나 (이 Client에만 존재하거나)
  if (HasAuthority())
  {
      // 업데이트 가능
  }
  // 이 GameInstance가 NM_Client 이거나
  // 이 Actor가 Server에서 스폰되었거나
  else
  {
    // ...
  }
}

ROLE_None

네트워크 상에서 아무런 의미 있는 역할도 하지 않는다

ROLE_SimulatedProxy

서버로부터 복제된 데이터를 수신해 자신의 상태를 업데이트한다
제어권은 서버에 있고, 현재 GameInstance(Client)에서는 모방해 보여주는 역할

HasAuthority() == false
IsLocallyControlled() == false

ROLE_AutonomousProxy

로컬 플레이어가 직접 조종한다
- 자신의 입력을 서버에 보내고, 서버에서 받은 데이터로 업데이트 한다
제어권 자체는 여전히 서버에 있지만, 서버에 요청을 보내거나 Local Predict로 서버에 요청 전송 및 응답 전에 움직임을 처리하기도 한다
- 후에 서버로부터 받은 데이터로 보정도 한다

HasAuthority() == false
IsLocallyControlled() == true

ROLE_Authority

모든 상태 변경의 최종적인 결정 권한을 가지고 있으며, 다른 클라이언트들에게 이 액터의 상태를 전파하는 역할

HasAuthority() == true

// 1. 서버가 Dedicdated이고 Player가 접속하지 않은 경우
IsLocallyControlled() == false

// 2. 서버가 Listen이고 서버 사이드의 플레이어가 해당 액터를 조종하는 경우
IsLocallyControlled() == true

LocalRole . RemoveRole

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Local Role
- 현재 GameInstance에서 해당 Actor의 역할
Remove Role
- 반대 사이드(Client <-> Server)의 관점에서 해당 Actor의 역할
- 위의 표에서 1번째 케이스를 예시로 들면…
  1. 서버 관점에서
  2. Local Role이 Authority일 때,
  3. (Client 사이드에선) AutomonousProxy 역할이다

IsLocallyControlled

bool AController::IsLocalController() const
{
  const ENetMode NetMode = GetNetMode();

  if (NetMode == NM_Standalone)
  {
    // Not networked.
    return true;
  }
    
  if (NetMode == NM_Client && GetLocalRole() == ROLE_AutonomousProxy)
  {
    // Networked client in control.
    return true;
  }

  if (GetRemoteRole() != ROLE_AutonomousProxy && GetLocalRole() == ROLE_Authority)
  {
    // Local authority in control.
    return true;
  }

  return false;
}

싱글 플레이 중이거나, Automonous 클라이언트이거나, 서버에서 호스트인 경우

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Juyong Jeong

[Unreal] Replication

멀티플레이어 게임

Replication

NetMode

NM_Client

NM_Standalone

NM_ListenServer

NM_DedicatedServer

Listen Server vs. Dedicated Server

Unreal Replication System

UNetDriver

UNetConnection

UNetChannel

Actor Replication

Lifetime

Property Replication

Remote Procedure Call

Ownership

Relevancy

RPC in Detail

Client RPC

Server RPC

Multicast RPC

Reliable / Unreliable

WithValidation

Replicated Property in Detail

Authority

ROLE_None

ROLE_SimulatedProxy

ROLE_AutonomousProxy

ROLE_Authority

LocalRole . RemoveRole

IsLocallyControlled

출처