電子競技條件下的網絡延遲探究

張云龍

（東北石油大學 163318）

0 引言

網絡延遲是指數據報在網絡中傳輸過程所消耗的時間，是衡量數據實時性的重要指標。網絡延遲對于遠程控制、視頻會話等即時性較強的應用具有重要的意義，直接影響到網絡服務的質量。因特網的設計初衷是為了滿足資源的共享，注重信息傳遞的準確性和傳送的信息量，而非信息傳遞的實時性，因此并不能保證遠程控制系統(tǒng)中運動信息的實時傳遞。對于網絡電子競技，網絡延遲的大小直接影響到游戲體驗和玩家的競技水平，是一項硬性指標。一般來說，30ms 以下的延遲可以得到順暢的游戲體驗，而50ms 以上的延遲在對抗性網絡游戲中就會對玩家的發(fā)揮產生影響，100ms 以上的網絡延遲會發(fā)生丟包等現象，使得游戲無法順利進行。

對于特定的網絡游戲，使用ping 命令能夠測量本地主機與服務器之間的延遲狀況，只需在dos 條件下輸入命令和服務器IP 地址即可。但是網絡延遲具有很強的隨機性，這與網絡延遲形成原因的隨機特點有關。短時間的突發(fā)性大延遲會對玩家的游戲產生較大的影響，因而ping 命令所得的延遲量不足以衡量電子競技過程中的延遲條件。同時，由于特定操作所產生的數據包大小的不一致，不用操作所帶來的延遲往往不同，具有一定的規(guī)律性。

1 網絡延遲的構成和特性

1.1 網絡延時的成分

目前實際應用中因特網的通信標準基于TCP/IP 協(xié)議，基于TCP/IP 體系結構進行信息通信的原理如圖1 所示，這是一種典型的分組交換系統(tǒng)。在這樣一個系統(tǒng)中，數據包通過選路從本地主機到達遠程主機，選路是指選擇一條用于發(fā)送分組路徑的過程，路由器則是做出這一選擇的網絡設備。

圖一 TCP/IP 傳輸示意圖

根據網絡通信原理，TCP/IP 協(xié)議網絡的延時大致包含以下幾個成分

（l）本地主機數據處理延時。當應用程序向協(xié)議軟件傳遞數據信元時，協(xié)議軟件將由應用層至網絡層逐層地對數據進行封裝處理，而后進行發(fā)送。

（2）物理線路上信號傳輸延時。這里的物理線路是指連接網絡設備的線纜，如雙絞線、光纖等。數據信號在物理線路上以接近光速的速度傳輸，這一延時與整體延時相比不在一個數量級上，因此通信節(jié)點之間的地理距離并不是決定延時大小的主要因素。

（3）中間路由器數據處理延時。網絡有其自身的拓撲結構，在網絡上，除物理線路外，還有作為網絡拓撲節(jié)點的路由器。路由器需要將收到的數據流解釋至網絡層以選擇下一跳的目的地址。選路過程中多個中間路由器數據處理延時是網絡延時的主要組成部分。

1.2 延遲的穩(wěn)定性和隨機性

網絡延遲在一定程度上體現出一種隨時間的穩(wěn)定性，這是由數據包傳輸方式所決定的，即路由的相對穩(wěn)定。因特網是采用動態(tài)路由機制來傳輸數據業(yè)務的，但這種動態(tài)并不等于隨機路由，只有當互連網的情況發(fā)生嚴重變化時，例如路由失效、嚴重擁塞等，轉發(fā)數據報的路由路徑才會改變。對因特網路由行為的研究表明通信雙方或多方在會話期間路由很少改變，大部分的數據流沿同一條物理路徑傳輸。

目前的多個路由協(xié)議中路由跳躍次數是選擇路由的重要參考指標，往往作為制定路由的首要因素。所以在動態(tài)路由條件下，連接兩個IP 之間的路由往往是跳躍次數較少的路徑，并且在一段時間內保持這一路徑而不改變。有相關研究指出在一天時間內對特定IP 進行跟蹤所捕獲的路由路徑是基本穩(wěn)定的。

對于網絡延遲的不確定性，合理的解釋是由負載的不確定性變化所導致目前基于TCP/IP 協(xié)議的因特網在網絡接口層普遍采用隨機競爭類的媒體訪問控制協(xié)議，多個通信節(jié)點共享通信信道資源。而網上的數據傳輸有一種突發(fā)性的特點，由于共享帶寬的原因，當網絡中的數據流量突然增大時，將造成其經過的路由器的負載增大，從而等待路由器進行處理的數據增多，這樣數據排隊等待處理的時間增長，使得數據報的延時增大，即造成總延遲的增大，另外，當路由器的負載超過其處理能力時，將對隨后到達的數據包進行丟棄處理，這樣對以TCP協(xié)議進行數據傳輸的數據包來講，將造成數據報的重發(fā)以及發(fā)送主機TCP 滑動窗口的減小，這些最終都將造成數據報延時的瞬間增大。這是延時不確定性產生的主要原因。

網絡的時延及其不確定性將對電子競技產生相當大的影響。當存在較大延時時，玩家操作不能實時地傳遞給服務器，操作所產生的效果也不能實時地反饋給目標玩家，從而使整個服務器的穩(wěn)定性和即時性變差，嚴重地還會引服務器的不穩(wěn)定，并且由于延時的不確定性使信息傳遞的連續(xù)性遭到破壞，造成了諸如卡ping 等情況，這是所有網游所需要極力避免的問題。為了能夠更好地對延時進行控制，就需要對其特點進行分析，預測其產生機制，希望能夠對因特網的延時特性進行仿真以建立有效的實驗系統(tǒng)。因此，有必要對延時及其不確定性產生的原因進行分析并探究其規(guī)律所在。

2 實際條件下的網絡延遲

本文通過運行電子競技網游“勝利之日”（day of defeat）的效果來研究延遲的特性。為了使效果明顯，故特別選擇了具有50ms 以上延遲的服務器，以便與觀察效果。研究方法是通過內置的游戲錄像功能，將游戲的過程捕捉下來。兩臺計算機同時連接同一個服務器進行游戲，通過一臺電腦執(zhí)行特定的操作并從另一臺電腦中觀察得到的反饋效果，以幀為單位計算兩者之間的時間差，得到實際游戲體驗中的延遲特性。

在實際測試中，對于不同的操作，延遲的大小也存在些許區(qū)別，大致有以下幾種情況

（1） 跑動和跳躍，所產生的延遲較小，且較穩(wěn)定，在約100fps 下大約產生10-12 幀的時間差，換算延遲約55ms 左右。個別時間段產生突發(fā)的20 幀以上的延時，即100ms 左右，高延時時間呈數秒鐘的小段分布，但是整體所占比重很少，推測為常規(guī)的路由延時。

（2） 開火射擊，產生延遲稍多，約12-13 幀，計60ms 左右。值得注意的是開火射擊存在兩種情況。第一種是目標未命中，通過考察射擊目標物體上的子彈痕跡出現時間得到射擊延遲，這種情況下延遲與跑動跳躍情況相差不多，約1 幀左右。第二種情況是命中的玩家目標，延遲有所增長且波動較大，合理的解釋是服務器需要對射擊效果進行一定的反應，包括被擊中玩家狀態(tài)數值的變更、死亡的判定、以及產生特定的動畫效果等。

（3） 切換武器，產生延遲大致與跑動跳躍相當，延遲穩(wěn)定，也存在突發(fā)的高延遲時間。

（4） 使用地圖場景互動物品或射擊可破壞物。這類操作的延遲明顯較大，約18-20 幀左右，計90ms。這是由于服務器需要產生復雜動畫效果所帶來的延遲。

圖2 不同操作下的延時分布

綜合以上的情況大致能獲得如下的判斷：電子競技網游中，對于簡單操作其延遲量穩(wěn)定，雖時間的波動較小，具有較好的即時性。這種情況下的延時其主要成分應是路由數據的處理延時，而路由的相對穩(wěn)定使得延遲大小也隨之穩(wěn)定，使得玩家獲得良好的游戲體檢。對于一些玩家間的互動操作，由于涉及到游戲人物數據的修改，需要進過服務器進行一定的處理，延遲稍高。而對于影響整個服務器的全局性操作，服務器需要消耗一定時間進行響應，遠程主機數據處理延時由次要地位上升至主要地位，延時大幅增大，且這種延時的暫時增大同樣會波及到未進行操作的玩家，甚至其他臨近服務器的玩家，造成延遲短暫大幅上升的假象。游戲中也存在一定的路由延時，所占比重較小，影響力有限。

3 總結

由以上可得，在因特網信息的傳遞過程中將產生一定的延時，延時具有相對的穩(wěn)定性和一定時不確定性，這將影響電子競技玩家的水平發(fā)揮和游戲體驗。分析指出在大多數情況下，網絡延時的分布情況主要決定于數據所經過的跳數以及在每一跳上所花費的時間，而個別情況下服務器的處理延時也會產生可觀的效果，網絡上所經過的路由器的負載也產生一定的不確定性。

總之，在電子競技中看似隨機的數據延時背后，有著一定的規(guī)律可循。這些為電子競技行業(yè)的發(fā)展提供一定幫助，也為互聯(lián)網數據傳輸的發(fā)展提供一定的參考。

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