RTS 游戏的流量特性分析.doc

精品论文RTS 游戏的流量特性分析李程 北京邮电大学宽带网络监控教研中心，北京（100876） E-mail：quickiecheng摘要: 随着网络游戏日益流行，网络游戏的流量在网络中的分量越来越多，所以对网络游 戏的流量特性分析就很有意义。本文首先介绍了网络游戏的基本常识，包括网络游戏的定义和分类、网络游戏用户群的现状等，然后介绍了网络游戏的主要分析方法，包括协议分析、流量分析和游戏名称的解析等，再以星际争霸为例，在实验室环境下用 Ethereal 抓包进行基 于深度报文检测（DPI）的协议分析，并用 winpcap 编程实现流量分析和对游戏名称的解析， 从而实现了对即时战略游戏（Real Time Strategy，简称 RTS）的流量的网络游戏用户行为分 析，最后根据实验结果总结出 RTS 游戏的流量特性，为网络游戏流量的识别与分析提供一 种新的方法。关键词：网络游戏；RTS；星际争霸；协议分析；流量分析 中图分类号：TP3931. 引言进入 21 世纪，网络游戏在中国得到了前所未有的发展，网络游戏市场迅猛发展带动了 整个游戏出版产业。2005 年中国网络游戏市场继续保持了快速增长的态势，在相关政府机 构的政策引导、网民数量的增加和上网条件的改善、休闲网络游戏的繁荣以及在家庭用户中 的普及等多种因素共同作用下，网络游戏产业整体规模突破 60 亿元大关，达到 61 亿元，比2004 年增长 51%。其中运营商收入为 47 亿元，比 2004 年增长 49%，占整个市场的比重为77%；代理商收入为 14 亿元，比 2004 年增长 56%，占整个市场的比重为 23%。近年来由于 网络游戏主流厂商在减少流通环节方面的成功尝试，渠道收入在网络游戏行业市场中所占比 例有所减少，由 2003 年的 29%下降到 2005 年的 23%左右。预计随着网络游戏市场分工的 深化及有实力渠道商的规模优势的强化，今后渠道收入在网络游戏市场行业中所占比例将维 持在 20%左右。2. 网络游戏相关介绍2.1 网络游戏定义和分类“网络游戏”也就是人们一般所指的“在线游戏”，是通过互联网进行、可以多人同时参与 的电脑游戏，通过人与人之间的互动达到交流、娱乐和休闲的目的。在互联网技术出现之前， 电子游戏都可以归于单机版游戏，即“人机对战”游戏，或最多是双人对战游戏。而随着互联 网技术的出现，通过连接游戏服务器，上百、上千、乃至上万的游戏玩家同时连线娱乐成为 了现实，这就大大增加了游戏的互动性、真实性，丰富了电子游戏的内涵1。从网络游戏的分类来看，目前还没有一个比较统一规范的分类。大多数倾向于将网络游 戏分为角色扮演类大型网络游戏、休闲动作类游戏、棋牌桌面类游戏和其它类网络游戏。角色扮演类网络游戏即 MMORPG（Massive Multiplayer Online Role Playing Game）, 即 大型多人在线角色扮演类游戏，这是目前最主流的游戏类型，游戏构筑了一个有基本健全的 社会体制和经济系统的虚拟世界，玩家在游戏虚拟世界中扮演特定角色，通过自己的游戏技 能及其它各方面投入实现自己所扮演的角色在游戏虚拟社会中的生存和成长并参与游戏虚 拟世界的人际沟通及社会活动等。市场上最知名的传奇系列、大话西游 II、MU等 游戏都属于这一类型。同时 MMORPG 网络游戏按其故事类型不同也可以进一步细分为童- 8 -话类、武侠类、魔幻类、科幻类等游戏类型。休闲动作类网络游戏，也可称为大中型休闲游戏以示与棋牌桌面类游戏的区别。其与角 色扮演类网络游戏最大的区别在于采用回合制，也就是说一场游戏在一小段时间之内便会结 束。同时这类游戏以纯粹娱乐为主，不强调剧情。通常而言，此类游戏玩家不需要为玩游戏 而付费，但游戏中的虚拟物品需花钱购买。市场上知名的泡泡堂、冒险岛、坦克宝贝 等都属此类游戏。棋牌桌面类休闲游戏包括棋牌类游戏及其它益智趣味类网络游戏。棋牌类游戏，顾名思 义就是把生活中的棋牌类游戏移植到网络上，游戏玩家通过网络这一平台与人对垒。益智趣 味类网络游戏的涵概面较广，它基本包括了除棋牌类以外的所有桌面网络游戏，如连连看等， 这其中有很多是流行的单机游戏改编而成，以实时比赛的方式实现互动，有些还在游戏中增 加了部分道具以增强互动感。其它类网络游戏是指角色扮演类网络游戏、休闲动作类网络游戏和棋牌桌面类游戏以外 的所有网络游戏。随着网络游戏的发展和移动通信服务渗透率的提高，以手机为载体的单机版和网络版游 戏正在得到快速发展。由于该游戏类型具有实时性和方便性，而且手机用户要远远大于网民 数量，所以该游戏具有更加广大的发展空间。除此之外，以有线和无线互联网为载体的虚拟 游戏正在通过线下实物产品（例如出版物、服装道具）向实景游戏衍生4。2.2 网络游戏用户群现状新网民的增加以及新产品的出现直接促进了网络游戏用户的增加。来自 CNNIC 的数据 显示，2005 年中国网民数量为 1.11 亿，比 2004 年增长 18.2%。而有研究表明，2005 年中国 网络游戏用户为 2900 万，比 2004 年增长 38%，在网民中的渗透率为 26%。伴随着网络游 戏用户的增长和在网民中渗透率的增加，网络游戏正在成为网民网络生活中一项不可或缺的 服务内容之一。随着中国网民规模的增长，未来五年中国网络游戏用户规模也将保持快速增长。预计到2010 年中国网络游戏用户整体规模将达到 8100 万，20062010 年的复合增长率达到 19%， 在网民中所占比重提升到 35%3。图 1 2003-2010 年中国网游用户规模及增长率网络游戏已成为互联网行业中最被看好的产业之一，并逐渐发展成为 IT 产业中的支柱行业。3. 网络游戏分析方法概述研究网络游戏可以从协议分析和流量分析两方面下手；而游戏名称的解析是网络游戏分 析中比较重要的部分，下面分别加以说明。3.1 协议分析网络游戏没有使用特殊的通信协议，而是使用 TCP 或 UDP 协议进行通信2。通过协议 分析可以了解网络游戏的交互过程，客户端与服务器的通信方式，如使用的协议，端口等。 在建立游戏连接和开始游戏的报文中，包含了大量重要信息，包括用户信息、服务器状态等， 通过对这些数据的解析，可以实现网络游戏的封堵。分析网络游戏协议可以通过协议分析工具，如 Ethereal 等来完成。Ethereal 是一个开放 源码的网络分析系统，可以应用于 Unix，Linux，Windows 等操作系统，是目前最好的开放 源码的网络协议分析器。Ethereal 可应用于故障修复、分析、软件和协议开发以及教育领域， 它支持五百多种协议，满足各种协议分析的需要3。3.2 流量分析通过流量分析可以清楚地得知网络游戏流量占网络总流量的比重，丢包率，异常流量等 一系列指标，有助于改善网络设备及网络环境，有利于网络的日常维护和规划。3.3 游戏名称的解析游戏名称通常是通过服务器端的端口号来判断的。经过观察发现，网络游戏服务器使用 的端口较为固定，只要从报文中得到服务器的端口号，基本就可以确定此传输此报文的游戏 名称。以端口为判断条件，解析起来比较简单快捷，但仅以端口为条件还不够，因为可能出现 以下两种情况：1)某些网络程序使用的端口与网络游戏使用的端口相同，但这些网络程序并非网络游 戏。2)不同的网络游戏使用相同的端口，尽管可以判断是网络游戏，但搞不清具体是哪一款 游戏。 经观察，虽然上述两种情况并不十分常见，但为了鉴别的准确性，还应该增加其他的过滤条件。 因此改进的网络游戏名称解析方法是：首先以端口为条件，粗略过滤报文一次；其次，以关键字为条件，判断满足端口条件的报文中是否含有某种网络游戏特有的关键字。若有关 键字，即可认为是该网络游戏的报文。尽管存在上面提到的端口判断错误和端口重复的情况，但每一款网络游戏都有其特有的 关键字特征，且只要网络游戏运行，关键字一定会出现。可以说关键字是网络游戏运行的充 分必要条件。以关键字和端口相结合作为过滤条件，可以非常准确地鉴别网络游戏4。为什么还要以端口为条件先过滤一遍呢？原因如下：关键字通常比较长，有十几个字节， 而且不同网络游戏关键字在报文中出现的位置并不固定。要找到符合条件的关键字，每一条 报文都需要解析，并且需要多次解析。网络上传输的报文不计其数，只解析报文关键字的话，系统的负荷会相当大。但端口号在报文中出现的位置却是固定的，因此先以端口为条件过滤掉非网络游戏的报文，可以将游戏范围缩小，减少系统工作量。4. 网络游戏流量的分析本节以“星际争霸”这款网络游戏为例，对即时战略游戏（Real Time Strategy，简称 RTS） 的流量进行了分析，最后总结出 RTS 游戏的流量特性。4.1 “星际争霸”游戏流量特性分析表 1 某次“星际争霸”游戏过程，从客户端得到的数据统计游戏时间总发送报文总接收报文发送数据接收数据2738s37562442052292480 Bytes2644795 Bytes发送报文接收报文发送报文长度接收报文长度上行带宽下行带宽13 packets/s16 packets/s19 Bytes17 Bytes6.698 Kbps7.728 Kbps经分析发现“星际争霸”2 人游戏的总带宽约为 14Kbps 左右，其下行(主机到客户端)流量带宽 6.7Kbps，上行流量带宽 7.7Kbps。平均报文长度（不含头信息）基本在 19 字节左右， 主机发送的报文和数据要多于客户端，原因是主机需要发送确认报文，保证客户端还在游戏 中。总体来说，RTS 游戏发包频率和带宽消耗不高，每秒发十几个报文，带宽也只有十几 Kbps。图 2 “星际争霸”客户端报文长度分布图 3 “星际争霸”主机报文长度分布100%Cumulative Percent80%60%40%20%0%0 1 3 4 6 7 9 1 1 1 1 1 1 12 2 2 2 2 3 4 45 0 5 0 5 0 0 2 3 5 6 8 91 2 4 5 8 2 9 05 0 5 0 5 0 50 5 0 5 0 0 0 70Client Packet Interval Time图 4 “星际争霸”客户端发包间隔累积概率分布100%Cumulative Percent80%60%40%20%0%0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 3 4 4 5 5 6 70 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 5 9 0 1 7 2 6 9 70 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 5 5 5 5 0 0 0Host Packet Interval Time图 5 “星际争霸”主机发包间隔累积概率分布图 2 至图 5 是“星际争霸”游戏客户端和主机的报文长度(不包含头部信息)分布和发包间 隔的累积概率分布。由统计结果可知，客户端发送的报文长度与主机发送的报文长度基本相同。客户端发送 的报文长度绝大部分为 19 字节，占 96%，报文长度为 12 字节和 23 字节的报文各占 1%， 其余报文所占比例不到 2%。主机发送的报文中，同样以报文长度为 19 字节的报文最多， 占 83%，其次是 12 字节的报文，约占 17%，几乎没有其他的报文长度。综合主机与客户端 的带宽和报文长度特征，可以发现数据基本相同，这是因为 RTS 游戏中，客户端与主机的 地位是相同的。所谓客户端与主机地位相同，是从 RTS 游戏的通信机制角度而言的，即任 意游戏者发出的报文都会直接发送给其他所有游戏者，而无须经过中转。这里所讲的“主机” 与“客户端”，其区别仅在于“主机”建立了游戏。从发包时间间隔来看，RTS 游戏累计概率分布曲线较平缓，时间跨度大。客户端有89.5%，主机有 87.2%的间隔时间集中在 40-120ms 以内。客户端平均每秒发包在 13 个，主 机 16 个。总体来说，RTS 游戏发包时间间隔还是比较短的，几乎全部小于 160ms。图 6，图 7 是上行和下行带宽分布。可以看到带宽特征就是比较平稳，波动不大。二人 游戏总带宽消耗在十几 Kbps，即使是八人游戏，56Kmodem 也足以应付其带宽消耗。图 6 上行带宽分布4.2 网络游戏流量特性总结图 7 下行带宽分布通过上面的分析可以看到这类游戏的特点是：1.发包间隔时间：RTS 游戏平均发包间隔时间在 100ms 左右。2.报文长度：RTS 游戏报文长度基本不超过 19 字节。3.带宽消耗：RTS 游戏只需 14Kbps 的带宽，最主要原因就是 RTS 游戏的发包频率较慢， 且报文长度比较小。但从整体来看，相对于一般网络程序 400 字节的报文长度，RTS 类型网络游戏的报文长 度还是比较短的，尤其是客户端发送的报文更明显。而路由器的设计都是假定平均包长在125 到 250 字节之间，随着网络游戏的流行，大量不容忽视的小包将会对路由查表机制带来 挑战。以后在网络设备的设计中，应考虑到这部分小包的影响。5. 结束语本文主要研究了网络游戏协议分析的主要方法，统计了 RTS 类型网络游戏的流量，并 分析了它们的特性，为进一步网络游戏提供了一些基础数据。但是目前对于网络游戏的分析 还属于起步阶段，随着网络游戏的日益发展，它的网络行为特征应该受到越来越多的重视。参考文献1 WU-chang Feng, Francis CHANG, WU-chi Feng, A Traffic Characterization of Popular On-line GameJ, IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING, VOL. 13, NO. 3, JUNE 2005,488-5002 W.Richard Stevens TCP-IP详解卷1：协议 机械工业出版社 2000.43 Tim Parker TCP-IP技术大全机械工业出版社 2000.74 艾瑞市场资讯. 网络游戏用户玩过和最经常玩的游戏类型EB/OL. (2006-03-18)2006-12-01.Traffic Characterization Analysis of RTS gameLi ChengResearch Centre of Broadband Network Monitoring，Beijing University of Postsand Telecommunications，Beijing（100876）AbstractWith the increasing popularity of online games, online games traffic in the network has more and moreweight It is necessary and important to analyze Online Game traffic characterization. This paper first introduces the basic knowledge of Online Game, including its definition and classification, the present situation of the user group etc. Then it introduces the main methods of analysis of the Online Game, including protocol analysis, traffic analysis and resolution of the name of the game, and so on. Next, it takes the game called “StarCraft” for example, to analyze the traffic characterization and the protocol of Real Time Strategy (RTS) games by Ethereal with DPI-based packets capture, and with winpcap programming, it achieves the flow analysis and the resolve of the game's name in order to achieve the network user behavior analysis of the real-time strategy game (Real Time Strategy, referred to as RTS) traffic. Finally according to the results, it sums up the flow characteristics of RTS games, providing a new approach for the identification and analysis of online games traffic.Keywords：online game；RTS;StarCraft；protocol analysis；traffic analysis