Paul Mieschke

• Multiplayer games can increase player enjoyment through social interactions, cooperation and competition. The popularity of such games is shown by current market trends. Especially networked multiplayer games frequently achieve great success, but confront game developers with additional networking challenges in the already complex field of game production. The primary challenge is game state synchronization across all players. Based on the current research, there are three main methods for this task – deterministic lockstep, snapshot interpolation and state-sync – with their own advantages and disadvantages. This work quantitatively evaluated and discussed the vertical (entity count) and horizontal (player count) limitations of deterministic lockstep and compared the method to snapshot interpolation. Results showed, that deterministic lockstep has no indicated vertical scaling limitation with a player count of up to 10 supporting 16,000 or more entities. A horizontal scaling limitation could not be found either and lockstep was confirmed to work with 40 or more players while handling 1024 entities. However, both scaling dimensions correlate negatively, which was indicated by the maximum scaling configurations 30 players and 4096 entities or 20 players and 8192 entities. An unoptimized snapshot interpolation implementation achieved a vertical scaling limitation of 4096 entities with 10 players and a horizontal scaling limit of 40 or more players with 1024 entities and therefore was found to have a lower entity limit compared to deterministic lockstep. Furthermore, results are compared to related work. Other contributions of this thesis include an overview of game networks and the three game state synchronization techniques. An architecture model for deterministic lockstep including a hybrid approach combining it with snapshot interpolation for re-synchronization and hot-joins. And finally, a network packet deconstruction of the implemented networking framework Unity Transport Package (UTP).
• Multiplayer-Spiele können die Spielfreude durch soziale Interaktionen, Zusammenarbeit und Wettbewerb steigern. Die Beliebtheit solcher Spiele wird durch aktuelle Markttrends gezeigt. Insbesondere vernetzte Mehrspieler-Spiele erreichen häufig großen Erfolg, stellen die Spieleentwickler jedoch vor zusätzliche Herausforderungen im bereits komplexen Feld der Spieleproduktion. Die primäre Herausforderung besteht darin, den Spielzustand zwischen allen Spielern zu synchronisieren. Basierend auf der aktuellen Forschung gibt es dafür drei Hauptmethoden – deterministic lockstep, snapshot interpolation und state-sync – mit jeweils unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Diese Arbeit evaluiert und diskutiert quantitativ die vertikalen (Entitätsanzahl) und horizontalen (Spieleranzahl) Beschränkungen von deterministic lockstep und vergleicht die Methode mit snapshot interpolation. Die Ergebnisse zeigen, dass deterministic lockstep keine vertikale Skalierungsbegrenzung bei einer Spieleranzahl von bis zu 10 vorweist, während 16.000 oder mehr Entitäten definitiv unterstützt werden. Eine horizontale Skalierungsbegrenzung konnte ebenfalls nicht festgestellt werden, und es wurde bestätigt, dass Lockstep mit 40 oder mehr Spielern und 1024 Entitäten funktioniert. Beide Skalierungsdimensionen korrelieren jedoch negativ, was durch die maximalen Skalierungskonfigurationen von 30 Spielern und 4096 Entitäten oder 20 Spielern und 8192 Entitäten verdeutlicht wurde. Eine nicht optimierte snapshot interpolation-Implementierung erreichte eine vertikale Skalierungsbegrenzung von 4096 Entitäten mit 10 Spielern und eine horizontale Skalierungsgrenze von 40 oder mehr Spielern mit 1024 Entitäten. Snapshot interpolation wurde somit eine geringere Entitätengrenze im Vergleich zu deterministic lockstep nachgewiesen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse mit verwandten Arbeiten verglichen. Weitere Beiträge dieser Arbeit umfassen einen Überblick über Spielnetzwerke und die drei Spielzustandssynchronisationstechniken. Ein Architekturmodell für deterministic lockstep, einschließlich eines Hybridansatzes mit snapshot interpolation zur Resynchronisation und für sogenannte Hot-Joins. Schließlich werden die Netzwerkpakete des Networking-Frameworks Unity Transport Package (UTP) analysiert.