Netcode: prediction и reconciliation

2020 год. Riot Games запустила Valorant с обещанием 'читеров не существует'. Часть этого обещания - архитектура netcode: client-side prediction с reconciliation на 128-тиковых серверах. Игрок в Стокгольме с ping 15 мс и игрок в Дели с ping 90 мс должны иметь честный поединок. Инженеры Riot потратили два года на netcode - и это видно в рейтинге: Valorant имеет меньше жалоб на 'неправильные хиты', чем CS:GO при схожей архитектуре.

• **Valorant** использует client-side prediction с 128-тиковым сервером и lag compensation до 140 мс. Tick rate в два раза выше CS:GO (64 тика) - это уменьшает позиционную ошибку в два раза.
• **Guilty Gear Strive** (Arc System Works, 2021) первый крупный файтинг с GGPO rollback netcode. Сообщество файтингов отмечает: онлайн-матчи с ping 100 мс стали неотличимы от локального кооператива.
• **Apex Legends** (Respawn) использует hybrid interpolation: 60 Hz сервер, snapshot interpolation для противников, prediction для своего персонажа. Dead Reckoning (экстраполяция) при потере пакетов - плавность сохраняется даже при 10% packet loss.

Client-Side Prediction: отзывчивость без ожидания сервера

При ping 100 мс без prediction каждое нажатие клавиши вызывает 100 мс задержку перед движением - управление ощущается как управление персонажем через интернет на луне. Client-side prediction: клиент применяет ввод немедленно, не ожидая ответа сервера. Персонаж движется мгновенно на клиенте, а сервер параллельно обрабатывает тот же ввод. Когда приходит серверный ответ, клиент сверяет своё предсказанное состояние с авторитарным серверным. Если совпало - ничего не происходит. Если расхождение - необходима reconciliation. Valve ввела этот паттерн в Half-Life (1998), и сейчас он стандарт в Unreal Engine (Character Movement Component), Unity Netcode и Mirror Networking.

Input buffer: клиент хранит историю всех неподтверждённых вводов с timestamp. При получении сервером подтверждённого состояния на тик N, клиент выбрасывает все inputs до N включительно из буфера.

Server Authority и Reconciliation

Prediction делает управление отзывчивым, но создаёт проблему: локальное состояние клиента может разойтись с авторитарным серверным. Сервер применяет те же вводы, но мог видеть столкновения, которых не увидел клиент (другой игрок заблокировал путь). Reconciliation - это процесс исправления предсказания. Схема Valve/Source Engine: 1) получить серверное состояние на тик N, 2) откатить локальное состояние к серверному, 3) replay все буферизованные вводы с тика N+1 до текущего тика. Визуально это выглядит как резкий телепорт - 'rubber-banding'. Чтобы избежать этого, применяют сглаживание: плавно двигать визуальный объект к предсказанной позиции, пока физическая позиция исправляется.

Error threshold: не каждое расхождение требует reconciliation. Ошибка менее 5-10 пикселей - результат float rounding, не реального расхождения. Только существенные расхождения требуют полного replay истории.

Rollback Netcode: перемотка симуляции

Файтинги требуют реакции на 1/60 секунды - одного кадра. При ping 100 мс классический delay-based netcode добавляет 3-4 кадра задержки к каждому действию - это катастрофа для жанра. Rollback netcode (GGPO, 2008): клиент предсказывает ввод противника (обычно 'повторить предыдущий'), симулирует игру с предсказанным вводом и рендерит кадр немедленно. Когда приходит реальный ввод противника, если предсказание неверно - откатить симуляцию назад (rollback) до момента расхождения и проиграть с правильным вводом. Если предсказание верно - ничего не происходит. Guilty Gear Strive, Street Fighter 6, Mortal Kombat 11 - все используют GGPO или его вариации.

Rollback глубиной N кадров требует N сохранённых состояний симуляции. Для 8 кадров при ECS с 1000 сущностями - это 8 снапшотов состояния. Сжатие состояния критично: только изменённые компоненты. GGPO ограничивает rollback 8 кадрами (133 мс) - дальше игра добавляет искусственный input delay.

Snapshot Interpolation: плавность без prediction

Для персонажей, которыми игрок не управляет (другие игроки, NPC), prediction неприменим - нельзя предсказать произвольный ввод. Snapshot interpolation решает эту задачу: вместо предсказания - плавная интерполяция между двумя последними полученными snapshot. Клиент рендерит состояние, которое было в прошлом (на величину interpolation delay - обычно 2-3 тика). Выглядит идеально плавно, но с небольшим отставанием. Overwatch использует интерполяцию 64 мс для других игроков: визуально плавно, и задержка незаметна для наблюдателя. Для контролируемого персонажа - prediction без интерполяции.

Extrapolation (экстраполяция) как альтернатива: продолжить траекторию движения объекта за пределы последнего snapshot. Менее latency, но артефакты при смене направления ('пробежка сквозь стену'). Большинство игр используют интерполяцию, не экстраполяцию для других игроков.

Ключевые идеи

• **Client-side prediction** применяет ввод немедленно без ожидания сервера - управление ощущается мгновенным при любом пинге.
• **Reconciliation** исправляет расхождение prediction с авторитарным серверным состоянием через replay истории вводов; визуальное сглаживание скрывает коррекцию.
• **Rollback netcode** (GGPO) позволяет файтингам работать без ощутимой задержки: предсказать - показать кадр - при ошибке откатить и пересимулировать.
• **Snapshot interpolation** обеспечивает плавность для объектов с неизвестным вводом (другие игроки) ценой 100-150 мс визуальной задержки.

Связанные темы

Prediction и reconciliation - продолжение сетевой архитектуры мультиплеера:

• Multiplayer Networking — Client-side prediction решает главный недостаток авторитарного сервера - задержку; это следующий уровень той же архитектуры
• Физический движок — Детерминированная физическая симуляция необходима для reconciliation: клиент и сервер должны получать одинаковые результаты из одних данных

Вопросы для размышления

• При reconciliation клиент replay-ит историю вводов. Если в истории 60 кадров (1 секунда лага), replay может занять больше кадра. Как современные движки решают эту проблему?
• Rollback netcode требует сохранять полное состояние симуляции каждый кадр. Как оптимизировать это для игры с 10 000 динамическими объектами?
• Snapshot interpolation задерживает отображение на 100 мс. В каком жанре игр это неприемлемо и почему?

Связанные уроки

• net-14-udp