TCG游戲中服務(wù)端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)

I摘 要隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，TCG集換式卡牌游戲在網(wǎng)絡(luò)游戲中占據(jù)越來(lái)越重要的地位，從早期的萬(wàn)智牌、游戲王到如今火熱的爐石傳說(shuō)：魔獸英雄傳，越來(lái)越多的游戲開(kāi)發(fā)商都在努力打造自己的集換式卡牌游戲。集換式卡牌游戲以其上手容易，占用時(shí)間碎片化的特性以及豐富的趣味性和對(duì)抗性，成功擁有了大批忠實(shí)玩家，也成為了游戲廠商盈利的重要手段。伴隨著市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的是游戲研發(fā)技術(shù)的不斷革新，游戲服務(wù)端從最初的簡(jiǎn)單http服務(wù)器，到初成架構(gòu)的MudOS服務(wù)器，再到為 MMORPG應(yīng)運(yùn)而生的“通信，邏輯，存儲(chǔ)” 的模塊化服務(wù)端，以及時(shí)下熱門(mén)的基于動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的分級(jí)服務(wù)端，游戲服務(wù)端研發(fā)技術(shù)也趨于成熟。本文從筆者畢業(yè)設(shè)計(jì)中研發(fā)的集換式卡牌游戲星際傳說(shuō)服務(wù)端出發(fā)，通過(guò)游戲服務(wù)端的通信協(xié)議、C/S架構(gòu)、設(shè)計(jì)模式和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等方面淺談當(dāng)下TCG游戲服務(wù)端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：集換式卡牌游戲；服務(wù)端設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)模式；C/S 架構(gòu)IIAbstractWith the development of the Internet technology, especially the mobile Internet technology, TCGs(Trading Card Game) are taking a more important position in online games. From Magic The Gathering in the 1990s, the Yu-Gi-Oh Card Game in the early twenty-first century to the Hearth Stone: Heroes of Warcraft in recent years, more and more game companies are developing their own TCGs. For its features of easy to get started, not time consuming, abundant interest and antagonism, TCGs have earned plenty of loyal fans, and also become an important tool for game companies to make benefits.Breakthroughs of game developing techniques come with the fierce competition, from the simple http server, preliminarily structured MudOS server, communication, problem domain, data storage modular server, which is built to meet the need of MMORPG, to the popular hierarchical game server based on dynamic load balancing, the techniques of game server developing have become mature recently.In this paper, I will introduce the design and realization of TCG server through communication protocol, C/S structure, design pattern and database techniques by the game I developed during my graduation project.Key words：TCG; server design; designing pattern; C/S structureII目 錄摘 要 .IAbstract .II1 緒論 .11.1 研究背景，目的及意義 .11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.3 研究?jī)?nèi)容和論文結(jié)構(gòu) .32 相關(guān)技術(shù)概述 .42.1 Cocos2d-x 游戲引擎簡(jiǎn)介 .42.2 C/S 架構(gòu)簡(jiǎn)介 .42.3 Socket 通信技術(shù)簡(jiǎn)介 .42.4 服務(wù)端設(shè)計(jì)模式概述 .52.5 IntelliJ IDEA 簡(jiǎn)介 .62.6 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)引擎簡(jiǎn)介 .72.7 本章小結(jié) .73 集換式卡牌游戲服務(wù)端需求分析 .83.1 系統(tǒng)用戶用例分析 .83.2 系統(tǒng)功能性需求分析 .93.3 系統(tǒng)非功能性需求分析 .143.4 本章小結(jié) .164 集換式卡牌游戲服務(wù)端設(shè)計(jì) .174.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .174.1.1 系統(tǒng)上下文定義 .174.1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .174.2 系統(tǒng)主要功能模塊的設(shè)計(jì) .184.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊 .184.2.2 登錄注冊(cè)模塊 .194.2.3 玩家對(duì)戰(zhàn)模塊 .204.2.4 商城模塊 .214.2.5 卡牌收藏模塊 .22III4.2.6 好友模塊 .244.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) .264.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì) .264.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)設(shè)計(jì) .264.4 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì) .304.4.1 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì) .314.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)安全設(shè)計(jì) .314.5 本章小結(jié) .315 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .325.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 .325.2 系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn) .325.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn) .325.2.2 玩家對(duì)戰(zhàn)模塊實(shí)現(xiàn) .335.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊實(shí)現(xiàn) .345.2.4 商城模塊實(shí)現(xiàn) .345.2.5 好友模塊實(shí)現(xiàn) .355.3 本章小結(jié) .366 系統(tǒng)測(cè)試 .376.1 功能測(cè)試用例 .376.2 性能測(cè)試用例 .386.3 測(cè)試結(jié)果 .386.4 本章小結(jié) .387 總結(jié)與展望 .397.1 全文總結(jié) .397.2 展望 .39致 謝 .41參考文獻(xiàn) .421 緒論1.1 研究背景，目的及意義TCG 是英文Trading Card Game的首字母縮寫(xiě)，中文學(xué)名是集換式卡牌游戲。1 顧名思義， TCG 需要游戲者購(gòu)買(mǎi)卡牌擴(kuò)充包來(lái)拓展自己的牌庫(kù)，然后根據(jù)一定的策略，靈活組合各類型的卡牌來(lái)構(gòu)筑一副符合游戲規(guī)則的套牌，玩家之間使用自行構(gòu)筑的套牌進(jìn)行游戲。 2因?yàn)槊總€(gè)玩家構(gòu)筑卡組的思路和策略不同，加上每局游戲中玩家抽到卡牌的順序也不同，可以給游戲?qū)謳?lái)數(shù)不勝數(shù)的變數(shù) 3，這也是 TCG 吸引玩家的最大玩點(diǎn)。筆者在 2017 年 1 月至 2017 年 5 月參與了集換式卡牌游戲星際傳說(shuō)的研發(fā)工作，在項(xiàng)目組中負(fù)責(zé)游戲服務(wù)端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，游戲出色地體現(xiàn)了 TCG 多變的策略和豐富的可玩性，而筆者也積累了一定服務(wù)端研發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為本文的撰寫(xiě)打下了基礎(chǔ)。本文研究的目的在于通過(guò)對(duì)當(dāng)下 TCG 服務(wù)端研發(fā)的技術(shù)的分析和實(shí)踐，總結(jié)出集換式卡牌游戲服務(wù)端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中實(shí)用的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)和研發(fā)技術(shù)，為今后TCG 的研發(fā)者提供可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國(guó)數(shù)學(xué)教授查理加菲于 1993 年 8 月設(shè)計(jì)了世界上第一款集換式卡牌游戲萬(wàn)智牌(Magic The Gathering)，游戲以西方神話故事為背景，玩家在游戲中收集武器，魔法和生物等不同類型的卡牌來(lái)構(gòu)筑自己的套牌， 4以模擬遠(yuǎn)古時(shí)期魔法師之間的對(duì)決。游戲一經(jīng)推出便俘獲了大量玩家，時(shí)至今日，萬(wàn)智牌在全球已擁有約 600 萬(wàn)名玩家。而日本也在 1999 年推出了游戲王卡牌游戲 ，這款由漫畫(huà)衍生出作品在集換式卡牌游戲中擁有里程碑式的意義 5，游戲首次將東西方文化元素巧妙地進(jìn)行了融合，在卡牌的種類上相對(duì)于之前的集換式卡牌游戲也有極大的豐富，并且首創(chuàng)了卡牌蓋伏和正面表示的狀態(tài)，以及怪物卡在不同的階段擁有的反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、永續(xù)、誘發(fā)、即時(shí)誘發(fā)和規(guī)則改變效果都極大豐富了游戲的策略和可玩性，因此， 游戲王卡牌游戲也是吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證的全球最高銷量的集換式卡牌游戲 6。美國(guó)游戲公司暴雪娛樂(lè)于 2014 年 3 月發(fā)行的爐石傳說(shuō)：魔5獸英雄傳則開(kāi)創(chuàng)了集換式卡牌游戲的新時(shí)代。游戲?qū)⒆约覠衢T(mén) IP魔獸世界作為游戲背景，簡(jiǎn)化了游戲復(fù)雜度和游戲進(jìn)程，使得集換式卡牌游戲更加平民化，更加容易上手。同時(shí)， 爐石傳說(shuō)：魔獸英雄傳也推出了每日任務(wù)，讓玩家可以通過(guò)完成任務(wù)來(lái)獲取更多卡牌，不斷推出的游戲新環(huán)境和新機(jī)制也使得游戲保持著經(jīng)久不衰的活力 7。在我國(guó)，由于游戲研發(fā)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起步較晚，集換式卡牌游戲的出現(xiàn)也比國(guó)外遲。在國(guó)產(chǎn)集換式卡牌游戲中，最具有代表性的作品就是 2009 年面市的三國(guó)智 8了，游戲結(jié)合了集換式游戲元素和國(guó)內(nèi)玩家熱衷的三國(guó)題材，以卡牌對(duì)戰(zhàn)的形式展示了三國(guó)時(shí)期爾虞我詐，群雄逐鹿的風(fēng)云故事。在集換式卡牌游戲發(fā)展歷程中，游戲的研發(fā)，特別是服務(wù)端的研發(fā)技術(shù)也經(jīng)歷了多次的更新?lián)Q代 9。最初的網(wǎng)絡(luò)游戲借助 HTTP 協(xié)議來(lái)完成客戶端和服務(wù)端之間的簡(jiǎn)單通信，數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)量和傳輸速度都有很大的限制，這一階段的游戲服務(wù)端通常是一個(gè)靜態(tài)的服務(wù)器，只能按照規(guī)定好的規(guī)則返回簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)，通常采用的編程語(yǔ)言是 C 語(yǔ)言，C+或者 Pascal10。在后續(xù)的發(fā)展中，人們?yōu)榱撕?jiǎn)化服務(wù)端程序編譯、調(diào)試和維護(hù)的過(guò)程，開(kāi)始嘗試使用腳本語(yǔ)言研發(fā)服務(wù)端，1987年 Perl 語(yǔ)言和 1994 年 PHP 語(yǔ)言的問(wèn)世，使得服務(wù)端的研發(fā)技術(shù)正式進(jìn)入腳本化的時(shí)代 11。隨著服務(wù)端需求的不斷提升和研發(fā)技術(shù)的完善，多種適用于服務(wù)端研發(fā)的語(yǔ)言不斷出現(xiàn)，同時(shí)也逐漸形成了 Web 應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即 Java 陣營(yíng)的J2EE 和 Windows 陣營(yíng)的 .Net 為開(kāi)發(fā)者提供了解決不同需求的服務(wù)端的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通用解決方案，此時(shí)，服務(wù)端引擎的概念也逐漸產(chǎn)生，游戲服務(wù)端也從弱交互型服務(wù)器不斷向強(qiáng)交互型服務(wù)器轉(zhuǎn)變 12。到了 2000 年前后，網(wǎng)絡(luò)游戲進(jìn)入全面圖形化時(shí)代，用戶的數(shù)據(jù)量也日益增多，頻繁的小文件讀寫(xiě)和傳輸給服務(wù)器帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，這時(shí)人們開(kāi)始將服務(wù)端拆分為邏輯服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)端兩部分，邏輯服務(wù)端專門(mén)處理用戶的各類請(qǐng)求，而數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)端專注于數(shù)據(jù)持久化工作，一些成功的商用數(shù)據(jù)庫(kù)引擎例如 Oracle 和 MySQL 開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于服務(wù)端的開(kāi)發(fā)中 13。此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)游戲，由于游戲需要經(jīng)常更新新的內(nèi)容來(lái)留住玩家，服務(wù)端也需要不斷換代升級(jí)來(lái)滿足客戶端與玩家交互的需求，因此人們開(kāi)始使用更加利于拓展和維護(hù)的編程語(yǔ)言，如 Python 和 Lua 語(yǔ)言，更加親近自然語(yǔ)言的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言使得開(kāi)發(fā)工作更高效 14。服務(wù)端引擎也開(kāi)始運(yùn)用到開(kāi)發(fā)中，因?yàn)?Python 這樣的腳本語(yǔ)言可以很方便的調(diào)用編譯好的 C 語(yǔ)言程序來(lái)執(zhí)行邏輯操作，因此服務(wù)6端引擎通常由底層的引擎核心、腳本解釋器和外層的若干腳本組成，引擎的內(nèi)核通常由純 C 語(yǔ)言或者 C+編寫(xiě)，它不負(fù)責(zé)任何具體的邏輯需求的處理，只把服務(wù)端的需求分類、抽象為若干個(gè)基本借口，每個(gè)接口通常只負(fù)責(zé)一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，并對(duì)外層的腳本提供接口 15，而外層的腳本則運(yùn)行在一個(gè)高效率的解釋器上，負(fù)責(zé)有序地組織和調(diào)用底層內(nèi)核提供的開(kāi)發(fā)接口，而解釋器則是把 Python 或其他腳本中的函數(shù)調(diào)用指向?qū)?yīng)的底層引擎借口，并返回執(zhí)行結(jié)果給腳本層，如此一來(lái)服務(wù)端的開(kāi)發(fā)進(jìn)入了全面模塊化和分層化的階段 16，它所帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，首先，引擎內(nèi)核與任何具體的業(yè)務(wù)邏輯無(wú)關(guān)，內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員只需要專注于優(yōu)化底層 API 的效率和穩(wěn)定性，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)的人員不需要了解任何引擎實(shí)現(xiàn)的原理，只需要按需調(diào)用內(nèi)核 接 口 來(lái) 完 成 業(yè) 務(wù) 邏 輯 的 需 求 ， 細(xì) 化 了 開(kāi) 發(fā) 人 員 的 工作 范 圍 和 簡(jiǎn) 化 了 開(kāi) 發(fā) 流 程 17。 其 次 ， 由 于 腳 本 維 護(hù) 和 拓 展 的 便 利 性 ， 游 戲 需 求 更改 時(shí) ， 往 往 不 需 要 重 啟 服 務(wù) 器 ， 只 是 將 對(duì) 應(yīng) 業(yè) 務(wù) 邏 輯 的 腳 本 做 相 應(yīng) 修 改 ， 再 重 新 發(fā)布 腳 本 即 可 ， 節(jié) 省 了 服 務(wù) 器 運(yùn) 營(yíng) 的 成 本 ， 也 方 便 開(kāi) 發(fā) 人 員 快 速 、 精 確 定 位 上 線 項(xiàng) 目的 bug 并 作 相 應(yīng) 的 修 改 18。目前，國(guó)內(nèi)游戲研發(fā)采用的服務(wù)端引擎大致分為 2 類，第一類是自我定制的開(kāi)源引擎，如 KBEngine 和 Photon 等。另一類則是自主研發(fā)的引擎，通常有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的游戲公司會(huì)采取后者，而前者不失為一種節(jié)省時(shí)間和成本的好選擇 19。1.3 研究?jī)?nèi)容和論文結(jié)構(gòu)（1）本文內(nèi)容概述：本文以筆者參與研發(fā)的集換式卡牌游戲星際傳說(shuō)為例，從需求分析，項(xiàng)目設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試等方面詳細(xì)闡述了一個(gè)集換式卡牌游戲服務(wù)端的開(kāi)發(fā)過(guò)程和開(kāi)發(fā)技術(shù)總結(jié)。（2）本文的內(nèi)容組織與結(jié)構(gòu)安排如下：第一章，介紹本文的課題研究背景、目的和意義，以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章，介紹星際傳說(shuō)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)用到的開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。第三章，從系統(tǒng)功能性需求和非功能性需求詳細(xì)分析項(xiàng)目需求。第四章，根據(jù)需求分析，對(duì)系統(tǒng)做模塊劃分，并詳細(xì)設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的功能。7第五章，詳細(xì)介紹每個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)方式。第六章，詳細(xì)介紹系統(tǒng)采取的測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果和由此得出的結(jié)論。第七章，詳細(xì)描述筆者的論文總結(jié)和展望。82 相關(guān)技術(shù)概述2.1 Cocos2d-x 游戲引擎簡(jiǎn)介我參與研發(fā)的游戲星際傳說(shuō)使用了 Cocos2d-x 3.10 作為游戲客戶端引擎。這是一個(gè)跨平臺(tái)的開(kāi)源游戲引擎，在 2D 圖像圖形渲染上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Cocos2d-x 的一大特性是它的跨平臺(tái)性，引擎允許開(kāi)發(fā)者使用 C+，node.js 和Lua 在多個(gè)平臺(tái)上部署項(xiàng)目，并不需要對(duì)項(xiàng)目做太多針對(duì)平臺(tái)的修改。Cocos2d-x引擎采用 OpenGL ES 進(jìn)行圖形渲染，能夠充分利用系統(tǒng)硬件性能，同時(shí)Cocos2d-x 目前已集成了大量第三方庫(kù)，尤其是圖形和動(dòng)畫(huà)特效的第三方庫(kù)，為開(kāi)發(fā)者提供了簡(jiǎn)介易用且高效的開(kāi)發(fā)模板 20。引擎的另一大優(yōu)勢(shì)是開(kāi)源，這使得有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)自己的需求自我修改引擎的模塊來(lái)提升游戲運(yùn)行的效率，自我定制的 Cocos2d-x 引擎在目前國(guó)內(nèi)游戲公司的開(kāi)發(fā)中使用非常普遍，開(kāi)源社區(qū)也提供了對(duì)引擎優(yōu)化的技術(shù)支持 21。2.2 C/S 架構(gòu)簡(jiǎn)介C/S 架構(gòu)全稱 Client/Server 架構(gòu)，是將應(yīng)用程序的邏輯通過(guò)合理劃分，分別部署在客戶端和服務(wù)端，在采用 C/S 架構(gòu)的游戲中，通常將游戲和用戶交互的 UI部分部署在客戶端，而將業(yè)務(wù)邏輯處理和數(shù)據(jù)持久化的工作部署在服務(wù)端 22。C/S 架構(gòu)有利于將客戶端和服務(wù)端的硬件性能，通?？蛻舳藱C(jī)器擁有出色的圖形渲染性能，能夠很好的完成 UI 交互的工作，而服務(wù)器通常具有較強(qiáng)的運(yùn)算性能和并發(fā)處理的能力，能夠同時(shí)快速處理多個(gè)客戶端的需求。因此，采用 C/S架構(gòu)的軟件系統(tǒng)通常具有很快的響應(yīng)速度和高并發(fā)能力，但 C/S 架構(gòu)也有不足，客戶機(jī)需要安裝并維護(hù)客戶端程序才能使用，因此運(yùn)行平臺(tái)往往受到限制，同時(shí)服務(wù)器的研發(fā)和維護(hù)需要大量成本和復(fù)雜的技術(shù)支持 23。C/S 開(kāi)發(fā)架構(gòu)在目前的游戲研發(fā)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，許多大型客戶端游戲都采用 C/S 架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。2.3 Socket 通信技術(shù)簡(jiǎn)介Socket，即程序套接字，是一種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)不同的程序進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通9信的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器通常都提供了多種服務(wù)，每一種服務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè) socket通道，并綁定到一個(gè)固定的端口上，網(wǎng)絡(luò)上其他機(jī)器通過(guò)服務(wù)器的 IP 地址和端口號(hào)來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器并使用服務(wù)器提供的相應(yīng)服務(wù) 24。Socket 通信起源于 Unix/Linux，它可以看成一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)文件， Socket 中封裝的接口，如 bind(),listen(),read(),write()和 close()等提供了一個(gè)完整的文件讀寫(xiě)操作的流程。在進(jìn)行通信時(shí)，通信的兩個(gè)進(jìn)程間通過(guò) IP 地址和端口號(hào)建立一個(gè)socket 連接，即一個(gè)文件讀寫(xiě)的通道，然后通信雙方調(diào)用相應(yīng)的讀寫(xiě)操作的方法將輸入寫(xiě)入通道或者從通道