Pomelo 的设计动机

游戏服务器概述

复杂的 socket 服务器

• 后端承载着极复杂的游戏逻辑。
• 网络流量与消息量巨大，且实时性要求高。
• 通常一台 socket 服务器无法支撑复杂的游戏逻辑，因此往往使用一个服务器集群来提供服务。

长连接和实时响应

• 通讯的单向性，普通 web 应用一般只有拉模式；
• 响应的实时性要求不高，一般 web 应用的响应时间在 3 秒以内都算响应比较及时的。

• 通讯的双向性，游戏应用不仅仅是推拉模式，而且推送的数据量要远远大于拉的数据量；
• 响应的实时性要求极高，一般游戏应用要求推送的消息实时反应，而实时响应的最大时间是 100ms。

分区策略与负载均衡

可伸缩性与分布式开发

开发难点

实时性保证

1. 实时 Tick:

   实时游戏的服务端一般都需要一个定时tick来执行定时任务，为了游戏的实时性，一般要求这个tick时间在100ms之内。这些任务一般包括以下逻辑:
   • 遍历场景中的实体(包括玩家、怪物等)，进行定时操作，如移动、复活、消失等逻辑。
   • 定期补充场景中被杀掉的怪的数量。
   • 定期执行AI操作，如怪物的攻击、逃跑等逻辑。
   由于实时100ms的限制，这个实时tick的执行时间必须要远少于100ms。

2. 广播

   由于玩家在游戏里的行动要实时地通知场景中的其它玩家， 必须通过广播的模式实时发送。这也使游戏在网络通信上的要求高于web应用。 游戏中广播的代价是非常大的。玩家的输入与输出是不对等的，玩家自己简单地动一下，就需要将这个消息实时推送给所有看到这个玩家的其他玩家。 假如场景里面人较少，广播发送的消息数还不多，但如果人数达到很密集的程度，则广播的频度将呈平方级增长。如图所示：
   
   假如场景中1000个玩家，每人发1条消息，如果需要其它玩家都看到的话，消息的推送量将高达1,000,000条，这足以把任何服务器撑爆。

分布式开发

1. 多进程（服务器）的管理

   通常的游戏服务器要由很多进程共同去完成任务。当这些进程交织在一起的时候，多进程的管理并不那么容易。
   如果没有统一的抽象与管理，光把这些开发环境的进程启动起来就是非常复杂的工作， 进程的启动与重启就将严重影响开发效率。 重量级的进程消耗大量的机器资源，普通的开发机支撑不了那么多进程，可能一个人的开发环境就需要多台机器。 多进程间的调试并不容易， 我们发现一个 bug 就要跨好几个进程。

2. rpc调用

   rpc调用的解决方案已经有n多年的历史了，但rpc在分布式开发效率上仍然没有明显提升。 以当前最流行的开发框架 thrift 为例，它在调用代码前需要经过以下步骤：
   • 写一个 .thrift 文件
   • 从 .thrift 文件生成源码

     thrift --gen  

   • 在程序中使用生成的源码 如果发生接口改动，我们又需要重新修改描述文件，重新生成stub接口。对于接口不稳定的开发环境， 这种方式对开发效率影响较大。要想让rpc调用的开发达到最简，不需生成stub接口， 无需描述文件， 我们需要一种很巧妙的方法。

3. 分布式事务、异步化操作

   尽管我们尽量把逻辑放在一个进程里处理，但分布式事务仍然是不可避免的。两阶段提交的代码，异步化的操作在普通的开发语言里并不是容易的事。

4. 负载均衡，高可用

   由于游戏服务器的有状态性，很多请求需要通过特定的路由规则导到某台服务器；对于有些无状态的服务器，我们则可以把请求路由到负载最低的服务器。通常对于无状态的服务器， 高可用是比较好做的。对于有状态的服务器，要做高可用会非常困难， 但也不是完全没有办法，常见的两招：
   • 将状态引出到外存：
     例如redis， 这样进程本身就可以无状态了。但由于所有的操作都通过redis可能带来性能损耗，有些场景是不能承受这些损耗的。
   • 通过进程互备：
     将状态通过日志等方式同步到另一进程， 但这可能存在着瞬间数据丢失的问题，这种数据丢失在一些应用场景可能毫无问题， 但在另外一些应用场景可能引起严重的数据不一致。
     有状态的高可用并不是那么好实现的，pomelo 在 0.5 版本提供高可用的实现机制，引入 zookeeper 和 redis 可以解决一些进程（如 master ）的高可用问题，但真正复杂的应用场景的逻辑只能由应用自己处理。

原生socket开发的问题

• 抽象程度：
  原生的socket抽象程度过低，接口过于底层，很多机制都需要自己封装，如Session、filter、请求抽象、广播等机制都要自已实现，工作量很大，容易出错，且有很多的重复劳动。
• 可伸缩性：
  高可伸缩性需考虑很多问题，消息密度、存储策略、进程架构等因素都需要考虑。用原生的socket要达到高可伸缩性，需要在架构上花费大量的功夫，而且效果也未必能达到开源框架的水准。
• 服务端的监控管理：
  很多服务器的数据需要监控，例如消息密度、在线人数、机器压力、网络压力等，如果采用原生socket，所有这些都要自己开发，代价很大。

基于框架的解决方案

已有游戏服务器框架介绍

• Sun RedDwarf：
  RedDwarf 是唯一一个能找到的完整的开源游戏服务器框架，由 sun 出品。可惜在它合并到 Oracle 以后已经停止开发了。 在设计上，RedDwarf 是个分布式架构，它在分布式数据存储和任务管理上投入了太多精力，而且做的过于理想化，如动态任务迁移功能的实现非常复杂，但实际应用中根本用不到。而在可伸缩性和性能的设计上不太理想。因此 RedDwarf 夭折了。
• SmartfoxServer：
  SmartfoxServer 是由意大利的一家游戏公司 gotoAndPlay() 推出的商用游戏服务器。 它是基于 java 开发的，与 web 应用服务器如 Tomcat 看上去很类似。Smartfox 支持各种客户端，且有一些成功案例。它在服务端封装和监控管理方面实现得很完善。 但在可伸缩性上并不是太理想，尽管 Smartfox 也支持 Cluster 模式，但它的扩展方式是基于 jvm 内存复制的。也没有实现传统 MMORPG 基于场景分区的解决方案。 Smartfox 有免费版本，但完全不开源。而且它的免费版本(达不到高并发用户要求)很大程度是为了吸引开发者最终购买它的收费版本。不限在线人数的收费版本价格达到 3500 美刀。
• BigWorld：
  Bigworld 是澳大利亚 Bigworld 公司开发的全套 3d MMORPG 游戏解决方案，解决方案包含了客户端和服务端。Bigworld 功能非常强大，在动态负载均衡和容错性做了很多工作。可扩展性非常强大。 它的缺点是过于重量级，对硬件要求高，且价格非常昂贵。Bigworld 是专门为 3d MMORPG 游戏定制，但并不适用于中小型游戏的开发。

Pomelo 解决方案

• 开发模型快速、易上手，基于 convention over configuration 的原则，让代码达到最大的简化。
• 架构的可伸缩性和可扩展性好，pomelo 在服务器扩展和应用扩展上实现得非常方便。
• 轻量级，虽然是分布式架构，但启动非常迅速，占用资源少。
• 参考全面，框架不仅提供了完整的中英文档，还提供了完整的MMO demo代码(客户端使用了HTML5)，可以作为很好的开发参考。

为什么选择 node.js

• 天生的分布式：
  Node.js 之所以叫 node 就是因为它天生就是做多进程开发的， 多个节点(node)互相通讯交织在一起组成的分布式系统是 node 天生就应该这么干的。它的编程模式里天生就是这种模式，两阶段提交、异步化操作这些看似复杂的工作里在 node.js 只是一个正常的异步执行流程。例如前面提到的分布式事务、异步化操作在 node.js 里只是个正常的流程。
• 单线程的应用模型：
  Node.js 的单线程处理能力远比其它语言强大，而单线程处理游戏逻辑是最简单，最不容易出错，而且不可能出现死锁、锁竞争的情况。
• 网络 io 与可伸缩性的优势：
  游戏是非常io密集型的应用， 采用node.js是最合适的， 可达到最好的可伸缩性。虽然有很高的可伸缩性，却并没有因此损失性能。node.js生来就是为io而生的，而游戏服务器刚好是网络密集型的应用。node.js的网络编程接口简单，抽象程度高。
• 语言优势：
  Javascript 语言已经不是昔日的吴下阿蒙，使用 javascript 开发可以实现快速迭代。它不仅由于脚本语言的轻量、简单带来了开发效率的提升，还可以与一些类型的客户端共享部分代码，如 html5，unity3d 的 js 客户端等。另外，语言的动态性带来了很多框架设计的便利，如设计 DSL，实现 convention over configuration。尽管这方面比 ruby 稍差，但在 pomelo 框架中使用已经足够好了。

从游戏框架到实时应用框架

总结