云游戏技术概述

2019-11-07 18:57:10 浏览数 (1)

历史

  云游戏具有极大的想象空间，从20年前，就吸引众多的前辈们尝试。由于技术条件不够成熟，而纷纷成为了前浪。

云游戏的4波浪潮云游戏的4波浪潮

  我认为云游戏会有三个阶段（求高大上的三阶段总结名字）

  • 『适配阶段』

  这个阶段，大家比较好理解，主要的目标就是将当前已经开发好的游戏搬到云游戏的平台上来

  • 『原生阶段』

  到了这个阶段，市场已经接受了云游戏的方式，各家都准备大力投入了。在这个阶段，需要像大数据、AI一样，在云端使用GPU集群来完成游戏的渲染；同时利用平行可扩容的GPU能力，催生未来的云游戏形态，扩展游戏策划的空间。

  • 『VR阶段』

  经历了『原生阶段』，云端大规模GPU集群渲染技术已经成熟，可以支持更复杂，更精细的VR游戏制作。前两个阶段也准备好了更高压缩比、低耗时的音视频编解码方案以及实时网络传输方案，以支撑VR视频流的高压缩率、高带宽的需求。

  下面重点讲一下『适配阶段』的整体技术，『原生阶段』和『VR阶段』还没有太清晰的思路，简单提一下现在的初步想法。

『适配阶段』

关键技术点

  我们现在是处于第四波的云游戏浪潮中，这一波相对以前有更多的巨头入场，这是因为以下的5个核心技术点已经成熟起来了。

关键技术点关键技术点
  • GPU服务器：随着AI、大数据的发展，推动了高密度GPU服务器的发展。虽然还不是特别贴合云游戏，但已经有了一个比较好的基础
  • 虚拟化：这里的虚拟化技术包含了虚拟机、容器等隔离技术，也包含了GPU的虚拟化技术。针对不同的场景，会有不同的考虑。
  • 音视频技术：264、265已经能成熟应用了，并且短视频、直播业务的发展，提升了编解码的效率，扩大了硬件编解码的市场普及度。
  • 实时网络传输：同样得益于短视频、直播业务的发展，已有的网络协议优化技术为云游戏奠定了一定的基础，可以进化为适应大带宽、低时延的网络优化技术。
  • 边缘计算：云业务的大力发展，推动了CDN业务的普及，就腾讯云在全国已经有1000 的CDN节点。现在国家牵头推动的5G中，有一个关键特性MEC(Multi-Access Edge Computing)，也会大力推动边缘节点的建设。

软件栈

  国外主要是在做PC游戏、主机游戏的云游戏解决方案，国内除了这些，还有做移动游戏的云游戏方案（基于Android）。整个云游戏的一个软件栈全景图如下：

云游戏软件栈云游戏软件栈

从下往上一一介绍

服务器层：
  • PC游戏/主机游戏：

   服务器主要基于x86架构，最关键的软件技术在于显卡驱动，这部分是由显卡厂商把持的。虽然AMD的UMD层驱动开源，但其核心的KMD层还是闭源的，脱离显卡厂商在外部很难对驱动做出针对性的优化。

   这一领域，定制服务器也有两个方向。

  1. 传统服务器 多显卡，多CPU核 多GPU，是一种资源池互相配合的服务器方案，这种方案下对资源调度到算法要求比较高，也有很大的灵活性。从调度方案上来看，个人是比较倾向这条路线的，在未来的『原生阶段』，为了充分发挥硬件资源超卖、性能可平行伸缩的特点，必然是CPU池 GPU池的IaaS方案。
  2. 小节点方案，从披露的信息看PS Now、GFN 2.0、xCloud都是这样的方案，即一个CPU带1-2张显卡，做一个最小的资源粒度。这个方案和『原生阶段』的理念有违背，比较难做到GPU能力的平行扩展，服务器硬件的更新换代有很高成本，应该是过渡期方案。
  • Android游戏：服务器形态有三种，
  1. x86服务器，基于intel的houdini指令翻译工具将arm的risc指令集翻译成x86指令集，以实现Android游戏在x86服务器上运行；方案的优势在于x86服务器很成熟，很容易规模化，易于运维，劣势在于指令集翻译这一层有较大的损耗，且服务器成本相对于ARM的两个方案偏高。
  2. ARM服务器，就是将传统服务器中的x86 CPU替换成ARM CPU；
  3. ARM板卡阵列，相当于手机板卡上只留下CPU、GPU、MEM和网络等关键硬件，一定数目的板卡装配到一个服务器机箱内，配合上电源、交换机等设备，形成一个ARM板卡服务器。

ARM的两个方案优势在于成本和Android原生运行环境；劣势在于产业链还没有成熟，较难运维，一是服务器链条，包括方案，生产环节，一是GPU生态，无法使用A卡和N卡。不过ARM公司正在推进这一块，期待未来的演进。

虚拟化层

  基于不同的底层操作系统会有不同的虚拟化方案

  • PC/主机云游戏：Linux Host Linux docker/Linux VM

  猜测Google Stadia平台会采用Linux Host Linux docker的方案。docker现在已经可以实现静态资源（文件系统）和运行时资源（CPU/MEM等）的隔离，难点在于GPU渲染能力的共享和调度（CUDA已支持docker）。

  在Linux OS Linux VM(vGPU/GPU Passthrough)方案里，用虚拟机和GPU虚拟化来实现GPU资源的隔离和调度。

  一种是vGPU，即GPU虚拟化方案。当前业内的GPU虚拟化方案，在核心的管线和shader资源上都是基于时间片轮询的虚拟化调度方案，时间片过大，则带来较长的响应延迟，时间片过短则有较大的调度损耗。

  一种是GPU Passthrough，即GPU直通。将整个GPU直通进虚拟机，为单个VM独占。GPU资源的最大化利用存在难度，需要配合其他方案一起做（这里其实就回到docker方向的考虑了）。

  • PC/主机云游戏：Linux Host Windows VM 这种方案运行PC游戏，可以快速构建云游戏服务器，很多技术积累不够深的创业公司选择的都是此方案，另外Nvidia GFN也是此方案。 方案的弱点在于单纯的虚拟机方案，虚拟机的控制权完全或部分交给用户，无法控制用户行为。那云游戏宣传的No Cheating，No Hacking就是一句空话了。举个例子，玩家获得虚拟机控制权，通过浏览器可以在虚拟机上任意的上传下载内容，也就能获取游戏文件做分析，进而做出破解和外挂了。所以该方案不可单纯的使用，需要配合上系统权限控制的方案才行。 另外，该方案在GPU虚拟化上的实现，同Linux VM。
  • PC/主机云游戏：Windows Host Windows Sandbox   这里的思想类似于Linux Host Linux Docker，Sandbox就是一个Windows Docker（或是叫做Container，微软有一个windows Container项目，该项目对图形接口的支持当前仅限于OpenGL）。Sandbox需要提供游戏进程运行资源和静态资源的隔离，同时要提供GPU调度能力。
  • Android云游戏 基于服务器（x86/ARM）的方案，需要用到kvm（CPU、MEM虚拟化）和qemu（I/O虚拟化）的虚拟化技术。ARM板卡的方案就不需要虚拟化实现了，每个板卡提供一个真实Android环境即可。
游戏引擎

  在『适配阶段』，游戏引擎参与较少，主要的工作会集中在游戏效果设置方面，以确定每一路玩家的资源消耗，便于服务器资源调度、体验保证和成本控制。

音视频编解码

  云游戏是大带宽低时延场景，264和265是较成熟的方案；AV1和VP9当前还较难满足低时延的要求，因其授权免费，需持续关注。

  编码端，由于低时延的要求，需要尽可能的使用硬件编码器；同时软件编码在特定场景下有很多压缩带宽的方法，因此带宽和时延需要平衡考虑，不同场景可做定制。

  解码端，264硬件解码已经很普及了。265硬件解码也覆盖较广。因为移动端ROM和硬件解码实现有厂家差异，移动端的硬件解码需要有适配工作。

  需要再提及一下和音视频流并列的一个方案，渲染指令流方案。在PC/主机云游戏领域，这不是一个好方案，因为：

代码语言：txt复制
1. 用户还是需要显卡渲染，还需要硬盘存储游戏素材，不是轻量客户端。
2. 大量的骨骼动画带来的动态数据，指令流需要的带宽也不低，并且没有现成的编解码方案。
3. 图形SDK的兼容性问题，云端1.0版本，客户端有2.0、3.0版本，这里需要做API的版本间兼容。
4. 手机上现在还不支持dx，只支持opengl和vulkan。

但在移动游戏领域，因为当前手机处于追求配置升级的阶段，因此可以通过该方案充分利用手机端的硬件能力，节省服务端的硬件开销，是一个可接受的方案

网络传输

  这里的思路是做灵敏的流量控制。基本思想就是需要实时检测网络带宽能力，再结合客户端的数据包处理能力上限，动态的反馈给编码端，实时调节编码参数以适应网络抖动。

  大家都把云游戏和5G放在一起讨论，但我接触到的大多数人对这两者的联系认识并不是很准确。准确的说，5G是云游戏的催化剂，没有5G云游戏还是会到来，只是速度会慢一些。下来说一下5G对云游戏具体的催化作用：

移动网络拓扑移动网络拓扑
  1. 加速移动设备上应用云游戏的进程，5G会带来空口链路（手机到基站之间无线传输链路）上带宽的提升和时延的降低，有利于移动端云游戏体验提升。
  2. 5G推动核心网与固网的交换节点下沉，带来整体网络路由的缩短。在4G及以前的时代，交换节点通常在省会和大城市，5G时代，交换节点会下沉到二、三线城市。
  3. 5G中有个很重要的一个节点MEC（Multi-Access Edge Computing）多接入边缘计算节点，在基站之后会很快的接入到MEC，MEC会作为一个交换节点，快速接入到固网中。我们可以在MEC之后紧跟着部署云游戏服务器，以降低用户到云游服务器间的时延。同时MEC也允许有线接入网的接入，对宽带用户的云游戏体验也有提升。
5G-MEC5G-MEC

『原生阶段』

  这个阶段的核心：GPU、云游戏引擎，游戏开发生态。

基于云游戏引擎的原生云游戏基于云游戏引擎的原生云游戏

  GPU需要能有集群化渲染的能力。现在的HPC应用，可以基于Nvidia的NvLink总线或PCIe总线在GPU之间交换数据，使用GPU的集群运算能力；未来的云端GPU渲染集群也需要类似的能力，并且需要更高的数据交换效率。

  基于GPU渲染集群，游戏渲染管线的流程会有变化，引擎需要变化，以充分利用GPU能力。同时引擎要为游戏开发者构建一套全新的游戏研发流程和生态。

支持游戏全生命周期的云游戏平台支持游戏全生命周期的云游戏平台

  在新的研发生态中，游戏的开发、发布和运营均在云游戏技术平台中完成。一切基于云端。

『VR阶段』

  也许是VR，也许不是VR，基于原生云游戏，会出现更大的游戏世界，更细腻的游戏表现。

#最后

  云游戏虽然已有20年历史，仍是一个新方向，有很多的可能性。

  云游戏成功了，云OS也就不远了。

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