云游戏白皮书.pdf

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1、云游戏白皮书华为技术有限公司杭州顺网科技股份有限公司2019 年 12 月1在 2019 年的新兴产业中，云游戏占有一席之地。游戏行业内，多家国际巨头纷纷向外界释放进军云游戏的信号；游戏行业外，5G 和千兆宽带推进如火如荼，云游戏被视为双千兆下重要的应用场景之一。事实上，云游戏并非新生事物，从 2000 年云游戏的概念提出到现在，已经有近 20 年的历史，云游戏再次成为热门也并非偶然，在网络和云计算技术不断成熟的助力下，云游戏优势也逐渐突显。近年来，从各种主机游戏到网络端游再到移动手游，游戏终端趋于多样化，游戏玩法也愈加丰富，随之衍生出如电竞赛事、游戏直播等多种行业，全球游戏市场也一直稳健增长

2、。我国是继美国之后全球第二大市场，2019 年我国游戏市场总收入将达到 365 亿美元。而根据中国互联网络信息中心发布的第 44 次中国互联网络发展状况统计报告显示，截止 2019 年 6 月，我国网游用户数达 4.94 亿，相比 2018 年底增长 972 万户，保持着整体向好的发展态势。除市场表现以外，社会影响对网络游戏也开始转变。国家和地方政策一方面加大监管力度，改善未成年网络游戏环境；另一方面鼓励发展电子竞技，尤其是在 2018 年，电子竞技被列入雅加达亚运会体育竞技表演项目，我国电竞战队夺得 2 金 1 银的优异战绩；英雄联盟 2018、2019 全球总决赛上，我国电竞队连续夺得冠军

3、，向世界展示了我国电竞的强大实力，刷新了国民对网络游戏的认知，也进一步改变了社会对网络游戏的舆论导向。当然，游戏产业也面临着挑战。一直以来，每当新的游戏大作出现，对电脑主机的配置就要升级一轮，除游戏发烧友以外，对于许多普通玩家和休闲玩家来说，因为游戏而专门升级一台高性能主机大多会考虑性价比。另外，虽然监管力度在持续加大，但不得不承认的是，对于游戏的监管、盗版等问题仍然是行业中比较突出的问题。而云游戏可以降低终端硬件门槛，突破平台限制，实现跨终端、随时随地的 3A 大作游戏体验，并杜绝外挂和盗版，对游戏产业而言是一个巨大进步。双 G 网络商用和边缘计算的发展标志着时机成熟，云游戏崛起迎来新契机5

4、G 话题近两年持续保持高热度，其高速率、低时延的特征深入人心，全球各大运营商加速 5G网络建设，吸引各行各业对未来网络都充满期待。在我国，不仅 5G 开始商用，固定网络上千兆宽带成为国家战略， 光纤入户率全球领先， 百兆以上的宽带占比超过70%， 为云游戏的开展奠定了网络基础。另一方面，云服务正在全球范围演变为基础设施，应用上云大势所趋。云服务提供商加速边缘云部署，云节点位置不断下移，与终端用户的距离正在缩短，为各行各业应用上云提供便利和可能。作为显卡领域的主导厂商，英伟达早早的开始在 GPU 虚拟化上进行技术投入，并发布了 NVIDIA GRID 系列产品。而 AMD 和 Intel 也不甘

5、落后，在 GPU 虚拟化上陆续推出产品，GPU 虚拟化步入成熟。正是网络和云计算的不断发展，让各大厂商纷纷看到了云游戏崛起的希望。2018 年 5 月，生化危机 7云版本登陆任天堂 Switch 平台。2018 年 10 月，微软发布了基于 Xbox 的云游戏服务“xCloud”。前 言22019 年 1 月，Amazon 收购日本游戏媒体 GameSpark，吹响进军云游戏的号角。2019 年 3 月，谷歌发布云游戏平台 Stadia。2019 年 8 月，腾讯发布云游戏解决方案 START。2019 年 9 月，网易联合华为成立云游戏实验室。2019 年 11 月，华为 iLab 联合顺网

6、发布面向家庭场景云游戏体验指标和目标网络架构。技术准备成熟，网络条件成熟，行业头部玩家涌入，云游戏进入了发展快车道。根据华为 iLab 实验室前期调研，云游戏每小时 3 至 4 元的收费模式在两年时间内即可实现盈亏平衡。2019 ChinaJoy 展上，顺网科技对外宣布在全国 60 多个城市部署百余个 POP 节点，面向网咖提供最高 2K144 帧、媲美本地 PC 游戏体验的云游戏服务。优质的云游戏体验离不开云与网络的联动配合，二者缺一不可，云游戏服务商与运营商合作无疑是体验保障的最佳选择。站在时代前端，方案成熟，商业可行，这一次，面向家庭的云游戏必将迎来产业春天。本白皮书重点针对端游云游戏，

7、从端到端解决方案、关键技术以及用户体验、商业模式等多方面进行剖析，旨在激发产业思考，共同繁荣产业生态，加速云游戏成熟商用进程。本白皮书由华为 iLab 实验室与顺网科技联合撰写发布，在撰写过程中有关内容也得到了 Playgiga、Playkey 等云游戏合作伙伴的专业支持，在此表示感谢。前 言 1第 1 章 云游戏基本原理以及分类 41.1 云游戏的基本原理 41.2 云游戏的分类 51.2.1 按计算平台：x86 架构以及 ARM 架构 51.2.2 按串流方式：游戏窗口串流与桌面串流 61.2.3 按资源形态：虚拟机流派与物理机流派 6第 2 章 云游戏整体架构和端到端技术 72.1 云平

8、台技术 82.1.1GPU 虚拟化与无盘系统 82.1.2 音视频抓取 102.1.3 编码技术 112.1.4 推流技术 122.2 低时延、低抖动的网络传输 122.2.1 全光网络 132.2.2 家庭 Wi-Fi 技术 132.3 终端关键技术 142.3.1 解码技术 142.3.2 操作指令收集 14第 3 章 云游戏体验要素分析与实测 153.1 云游戏体验理论概述 153.1.1 云游戏体验的关键要素 153.1.2 网络对云游戏体验的影响 15目 录3.2 云游戏体验的关键指标 163.2.1 分辨率 173.2.2 帧率 173.2.3 码率 173.2.4 带宽 183.

9、2.5 时延 193.2.6 抖动 203.2.7 丢包 21第 4 章 云游戏商业可行性与商业模式分析 224.1 云游戏产业链 224.2 云游戏产业现状 224.3 云游戏收费模式 244.4 运营商开展云游戏商业模式构想 244.5 运营商开展云游戏案例 254.5.1 运营商 TIM 与 PlayGiga 合作面向家庭发展云游戏业务 254.5.2 运营商 ooredoo 与 PlayGiga 合作面向家庭发展云游戏业务 26第 5 章 云游戏展望 275.1 云游戏发展的三个阶段 275.2 云游戏对时延和抖动要求的展望 285.3 云游戏对网络要求的展望 305.4 云游戏解决方

10、案展望 31云游戏基本原理以及分类4云游戏将内容的存储、计算和渲染都转移到云端，实时的游戏画面串流到终端进行显示，最终呈现到用户眼中。云游戏又被称为 GaaS（Game as a Service），它将游戏体验变成了一种服务，提供给广大消费者用户，解决了用户不断购买或升级终端的困扰，也避免了下载和更新内容的繁琐，在成本、时间、内容、维护等方面提升了游戏体验的易用性。与本地游戏相比，云游戏增加了抓屏、编码、网络传输、解码等主要过程，即流化过程。区别于端游、页游、手游和主机游戏，云游戏的游戏资源、运行、渲染都在云端完成，相当于用户是在远程玩游戏。第 1 章 云游戏基本原理以及分类1.1 云游戏的基

11、本原理 端游 （客户端游戏） 需要先从下载一个游戏客户端到本地硬盘中再运行， 其游戏各种场景、 人物、 动画、图片、音频等各种资源均在本地完成加载，在本地运行游戏的各项逻辑计算和渲染。游戏运行速度、画面效果取决于本地电脑的硬件配置。渲染计算显示输入指令本地游戏渲染计算抓屏编码解码云游戏显示输入指令网络传输图 1-1 云游戏原理示意图表格 1-1 云游戏与端游、页游、手游的对比平台游戏类型 游戏资源存储在（包括场景、人物、动画、音频等）游戏运行在（包括逻辑计算和渲染等）PC端游本地本地页游无需安装客户端，打开网页即可进行游戏。但游戏所需的资源和逻辑仍需要提前加载到本地本地移动端手游本地本地游戏主

12、机主机游戏本地本地云游戏云端云端云游戏基本原理以及分类5 页游（网页游戏）和小游戏，虽然看起来无须下载和安装客户端，但实际上游戏资源和逻辑均需要在打开网页时加载至本地，因此游戏的运行也是在本地完成。 手游和主机游戏的原理都类似与端游，它们的区别是终端平台不同。 云游戏，本质上是一种基于云计算的远程技术应用，只需将游戏下载到云端服务器上存储并运行，游戏渲染出来的每一帧视频画面，通过网络传送到指定的终端进行解码输出。云游戏和云桌面、远程控制都属于远程技术的应用，技术原理相似，但这三者的侧重点不同。远程控制（例如 Teamviewer 等），它的被控制方不一定在云端，可以是在家庭、公司的某一台电脑。

13、云游戏和云桌面的计算和存储实体都在云端，但云桌面通常不带 GPU。远程控制和云桌面的功能没有针对游戏来设计，都不适合用来玩游戏，而云游戏对游戏功能进行了深度优化，因此能提供优质的游戏体验。从云游戏的原理看，终端只需要进行简单的解码输出和上传玩家操作指令，这里的终端不限于 PC、笔记本、平板、手机、电视盒子等设备，因此云游戏大幅减少了对终端性能的要求，只需要具备一定的解码能力。这样带来的好处是，降低游戏终端门槛，可以跨终端和跨平台，使游戏体验更容易、更方便地被获得。市场上为人所知的云游戏虽然原理基本一致，但按照计算平台、串流方式、资源形态等维度看，云游戏之间又存在区别。1.2.1按计算平台：x8

14、6 架构以及 ARM 架构游戏三个主流市场是 PC 端游、主机游戏、手游，按照计算平台，云游戏同样也可以分两类，x86架构和 ARM 架构（这里的 x86 架构和 ARM 架构是指真正运行游戏的云平台的架构，而非终端的架构）。x86 架构的云平台主要针对于 PC 端游和主机游戏的云化，ARM 架构的云平台主要针对手游的云化。由于 PC 端游和主机游戏对终端性能的要求更高，云化的需求更加强烈，本白皮书也主要针对云端游进行分析和描述。1.2 云游戏的分类图 1-2 云游戏和远程控制的区别图 1-3 云游戏的主要两种架构X86架构端游云化ARM架构手游云化Playkey远程控制云桌面云游戏针对游戏场

15、景的优化更好云游戏基本原理以及分类61.2.2按串流方式：游戏窗口串流与桌面串流云游戏的产品形态主要有两种，游戏窗口串流和桌面串流。前者的特点是云端仅将游戏窗口内的画面串流至本地，只能用于游戏用途，而后者则是将整个桌面串流至本地，通常会预置各类热门网络游戏（LOL、DOTA2、PUBG 等）和主流游戏平台（WeGame、Steam、Origin 等），用户就像在使用网吧电脑一样。1.2.3按资源形态：虚拟机流派与物理机流派目前市场上主流两种资源形态，虚拟机流派和物理机流派。虚拟机流派一般采用服务器和专业显卡的云端资源组合，并以虚拟化的方式分配资源，较为灵活。而物理机流派的云端资源以一台台 PC

16、 形式存在（相当于 PC 农场），显卡为家用游戏显卡，对游戏驱动的适配更好。比较游戏窗口串流桌面串流串流内容指定游戏窗口整个桌面操作仅能操作游戏可进行任何桌面操作操作系统不可见（但存在）可见控制面板不可见（但存在）可见比较虚拟机流派物理机流派云端资源服务器 + 专业显卡PC 机 + 家用游戏显卡资源分配虚拟化分配，1 个服务器对多个用户1 对 1 分配优势资源分配灵活，实例生成及销毁迅速；专业显卡在工艺、可靠性、噪音、散热处理上满足企业级应用要求家用游戏显卡对于游戏驱动的适配更好劣势硬件成本较高；虚拟化资源的调用时延比物理机的大，导致云游戏的端到端时延偏大；资源分配不够灵活；家用游戏显卡放到机

17、房中可能存在授权风险；家用游戏显卡的可靠性不及专业显卡；典型代表华为云电脑、达龙云电脑，谷歌 Stadia、Shadow、 英 伟 达GeForce Now、Playgiga 等极云、顺网云电脑，Playkey 等表 1-2 云游戏的两种串流方式表 1-3 云游戏的两种主要流派云游戏整体架构和端到端技术7第 2 章 云游戏整体架构和端到端技术云游戏整体架构由内容层、平台层、网络层、终端层协同构建，如下图所示。内容层主要负责游戏内容源， 主要由游戏提供商 （Content Provider） 提供， 从技术角度上， 任何端游、主机游戏、手游都可以移植到相同运行环境的云平台上。平台层主要包含业务管

18、理系统和云渲染节点。业务管理系统负责内容、用户、资源的管理，为云游戏业务提供资源的调度和分配。云渲染节点是云游戏的核心之一，负责响应终端的操作指令，实现逻辑计算、实时渲染、流化编码、推流等功能。一般情况下一个业务管理系统可以对多个云渲染节点进行管理。云渲染节点一般需要靠近用户部署。网络层主要涉及骨干网、城域网、接入网和家庭网络，如图 2-2 所示；也可以用移动承载的方式，如图2-3所示， 用5G网络承载云游戏业务。 网络层负责连接云平台和终端， 其功能是将云端渲染好的画面，实时地、稳定地传输到用户的终端，网络质量与云游戏体验的关系紧密，带宽、时延、抖动、丢包等都会对体验产生影响。图 2-1 云

19、游戏整体架构图 2-2 固定承载网络骨干网城域网接入网家庭网络ONTOTNOTN云游戏平台MOBA游戏竞速游戏FPS/TPS游戏格斗游戏业务管理系统云渲染节点固定网络（骨干网、城域网、接入网、家庭网络）PC机顶盒+电视或显示器PAD或手机动作游戏内容层网络层平台层终端层移动网络（5G网络）云游戏整体架构和端到端技术8终端层主要由显示设备、 游戏操作设备组成， 显示设备主要包含PC （台式或者笔记本） 、 机顶盒与电视、手机、PAD，操作设备包括键盘、鼠标、游戏手柄。终端层是用户接入云游戏的入口，主要接收并解码来自云平台的视频流，并进行显示呈现，同时对接操作输入模块，将操作输入指令上传到云平台。

20、接下来从云平台、网络、终端介绍云游戏的端到端技术。图 2-3 移动承载网络图 2-4 终端设备图 2-5 云平台架构目前云平台的资源管理和调度有两种主流的方案虚拟化方案和物理机方案。（1）虚拟化方案使用服务器和专业显卡的硬件组合，需要对服务器集群、硬件资源等进行虚拟化，CPE5G基站终端云游戏平台5G承载网显示设备输入设备2.1 云平台技术2.1.1GPU 虚拟化与无盘系统云平台需要为每个用户分配独立的云渲染节点，保证每个用户可以独立地进行游戏，互不影响。因此如何将服务器、显卡等硬件资源集群高效管理、合理调度，是云平台的一个关键技术。CPUGPU内存磁盘渲染节点1渲染节点2渲染节点N用户1用户

21、2用户N服务器集群云渲染节点用户云游戏整体架构和端到端技术9图 2-6 GPU 虚拟化架构图 2-7 无盘系统示意图可以按照不同的需求，灵活分配、调度和管理。在云游戏中，虚拟化方案的最大特点是 GPU 虚拟化。在云游戏当中，云端一般使用专业显卡，例如 Tesla M60 等，如果使用 GPU 直通，即一个 GPU直接供给一个虚拟机单独使用，这种独享方式对于玩游戏而言，资源过于浪费，且成本非常巨大，此时 GPU 虚拟化非常必要。GPU 虚拟化将 GPU 进行切片分配虚拟机使用，实现多个虚拟机共享一个GPU。 GPU切片包含在时间片段上进行的划分， 类似于CPU的进程调度， 以及对GPU资源进行的

22、划分，例如 16GB 显存划分给多个虚拟机使用，每个虚拟机得到的显存互相独立、不共享。GPU 虚拟化可以根据用户的需求，进行动态资源分配，支撑多路游戏的渲染。GPU 虚拟化实现了资源共享、动态分配，为资源管理带来极大的便利。但在虚拟化过程中，存在一定的资源损耗，同时产生额外的调度时延，对于时延要求敏感的游戏业务，可能会对体验造成影响。GPU 虚拟化的方案主要有英伟达的 GRID、AMD 的 MxGPU 和 Intel 的 GVT-g。（2）物理机方案一般采用 PC 农场和家用游戏显卡的硬件组合，由一个业务管理服务器来管理和调度这些硬件资源，每一个 PC 和显卡组成一个云渲染主机。如果游戏内容都

23、在每一台 PC 上安装，则管理成本、时间都会随着数量增加而急速增加，一种解决方案是使用无盘系统。无盘系统是一种将计算与存储分离的标准方案，你不需要为每台主机定制操作系统与游戏内容，而是将操作系统与游戏内容以标准化的存储分离方案挂载到每一个云渲染主机中，使用云端的大容量 SSD 磁盘阵列，能为海量的云渲染主机提供操作系统引导与游戏启动与运行服务。服务器GPUHypervisor虚拟化软件vGPUvGPUvGPUvGPU驱动驱动驱动驱动VM1VM2VM3家用GPUPC家用GPUPC家用GPUPC内容服务器SSD磁盘阵列云游戏整体架构和端到端技术10无盘系统的特点是统一进行操作系统的引导、更新管理、

24、游戏内容安装、管理和更新，更加高效。云端一次更新，所有客户端都受益，无需再做麻烦的游戏更新工作。云渲染主机不需要任何外存（软驱、硬盘、光盘等）即可启动并运行操作系统，降低部署成本。普通用户的所有操作，在重启后均会还原到初始状态，保证了用户的隐私不受泄露，同时在不安装杀毒软件的情况下，也能保证操作系统的安全可靠，极大地提升了终端用户在使用云端主机时的可靠性与安全性。2.1.2音视频抓取流化的第一步是抓取游戏的实时画面，如果是 PC 游戏，则是抓取屏幕的画面。抓屏的实现方法有很多，常见的方法如表 2-1。其中，DXGI（Microsoft DirectX Graphics Infrastructu

25、re）是 windows 系统中用户模式下最底层的图形设备接口，不管是 Direct 2D 还是 Direct 3D 都基于其上，因此 DXGI 直接与硬件驱动打交道，可以直接获取显示器的内容，无论效率还是兼容性都很出色。唯一需要注意的是 DXGI 只支持 Win10 系统，之前的 Windows 版本无法使用该方法。在音频方面，目前常见的音频数据抓取方式如表 2-2。方法说明BitBltBitBlt 可以实现 DC（Device Context）间的内容拷贝，将该接口的源 DC 指定成Monitor DC 或是桌面 DC，从而实现抓屏。Mirror driverWin8 之前最高效的抓屏方法

26、，也是微软推荐的远程桌面共享方案，它通过创建虚拟镜像驱动，直接获取最终屏幕变化数据。但是 win8 之后已失效。GDI hookXP 时代比较流行的抓屏方法。所有的绘制都是通过 GDI32.dll 中的绘图函数来实现的，只要拦截了这些函数，就能控制系统的所有绘制。GDI hook 方法比较高效，也可用于抓取屏幕的变化。DirectX每个 DirectX 程序都包含后台缓冲（Back Buffer）和前台缓冲（Front Buffer）。后台缓冲保存显卡渲染出来的图像，而前台缓冲实质上就是屏幕显示的图像。默认情况下前台缓冲可以被访问，因此通过访问前台缓冲就可以捕捉到当前屏幕的内容。DXGI这是微

27、软 Win8 上宣布放弃 Mirror driver 之后推荐采用的抓屏技术，全部基于 D3D/DXGI 技术，效率非常高，并且包含变化区域和屏幕鼠标光标。方法说明DirectSoundDirectSound 是 DirectX API 的音频组件之一，可以提供快速的混音、硬件加速功能，并且可以直接访问相关设备。Wave用来实现对麦克风输入的采集（WaveIn 系列 API 函数）和声音的播放（WaveOut 系列函数）表 2-1 抓屏的实现方法表 2-2 抓取音频的实现方法云游戏整体架构和端到端技术112.1.3编码技术云端在抓取到原始游戏画面后， 由于数据量巨大， 不宜直接传输， 需要经过

28、编码压缩后才做网络传输。H264 和 H265H264 和 H265 是常见的视频编码标准，H264 相较于以前的编码标准，增加了参考帧的运动补偿、帧内预测等新特性，视频质量更高，码率更低，因此得到了广泛使用。H265 在架构上与 H264 相似，但 H265 在图像分块、变换编码、预测编码、熵编码等模块上提出了更优的算法，提高了编码的压缩率、鲁棒性，在相同画质的情况下理论上 H265 能比 H264 节省一半的带宽。不过，H265 压缩率的提升使得解码的复杂度更高，理论上解码的运算量约是 H264 的 2 倍，所以对解码硬件提出了更高要求。需要注意的是，无论使用 H264 还是 H265 进

29、行编码，都需要对码率大小和图像质量进行权衡，并选择合适的编码参数。编码的码率越小，图像质量会损失越多，严重的会影响体验。码率越大，图像质量的损失越少，但对网络带宽要求更高。硬编码和软编码编码的具体实现又分为软编码和硬编码。软编码是使用 CPU 进行编码，实现直接、简单，同码率下质量较高，但由于对 CPU 的负载较重，性能相对较低。硬解码主要使用 GPU 等进行编码，性能高，速度快，但同码率下质量不如软编码。云游戏对于延迟的要求非常严苛，因此一般采用硬编码。目前主流的低延迟硬编方案有以下几种：无 B 帧编码编码序列中一般有 I 帧、B 帧、P 帧，其中 I 帧是关键帧，P 帧是前向预测编码帧，B

30、 帧是双向预测编码帧。云游戏从编码的时延、效率、实现复杂度等角度考虑，常常采用无 B 帧编码，即第一帧是 I 帧，之后的都是 P 帧，只有在网络很差导致了断连的情况下，才会重新再发一个 I 帧。方案说明Intel QuickSync集成于 Intel 显卡中的专用视频编解码模块NvidiaCUDA/NVENC CUDA Encoder 和 NVENC 是两个不同的方案，前者是采用 GPU 的通用计算单元进行编码加速，后者则是增加了专门的硬线化编码电路为编码加速AMD AMF显卡内置视频编码专用 VCE 引擎I 帧P 帧B 帧名称帧内编码帧Intra-coded picture预测编码帧Pred

31、icted Picture双向预测编码帧Bidirectional predicted picture编码实现只使用本帧的信息需要参考之前的 I 帧或 P 帧需要参考之前的 I 或 P 帧以及之后的 P 帧表 2-3 编码的实现方法表 2-4 I 帧、P 帧、B 帧云游戏整体架构和端到端技术12无 B 帧编码的优势是，除了 I 帧，之后的每一帧，都可以根据前面一帧来完成编码，实现简单，而且每抓屏一次就可以立刻送往编码，不产生额外的延迟。相应的，P 帧的压缩率较低，需要的带宽更大。有 B 帧编码的优势是，B 帧压缩率更高，更节省带宽，但 B 帧需要等到后面的 P 帧才能完成编码，所以产生了至少一

32、个帧间隔的延迟。时延优化是云游戏的重点，因此无 B 帧编码是优选，I 帧后续都是 P 帧，也利于保持帧间隔的稳定。音频也有编码标准，常见的有 AAC、MP3、WMA、PCM 等，但由于音频的数据量比较小，有些云游戏平台并没有做音频的编码压缩过程，而是采样后直接传输。2.1.4推流技术云游戏业务对时延要求高，任何过多的报文封装和解封装都会引入额外的时延，目前主要采用 TCP 或 UDP 直接封装应用层数据，优劣势对比如下表所示。TCP传输过程中， 丢包、 乱序等引发重传， 会导致游戏的操作响应变慢。 UDP不会重传， 实时性较好，但丢包时损失了画面质量。QUIC 协议同时拥有 UDP 的快速高效

33、和 TCP 的可靠传输特点的协议得到业界广泛关注。QUIC 全称是 Quick UDP Internet Connection，基于 UDP 实现，握手过程简单，改进了拥塞控制，可以多路复用。QUIC 还具备前向纠错（Forward Error Correction，FEC）的特性，QUIC 在每个数据包中增加冗余数据，当丢包发生时，其他数据包的冗余数据能直接恢复出所丢掉的包，进而保障了数据的完整性，也避免 TCP 重传引入的时延。IBPBP12345序列IPP12345序列PP图 2-8 无 B 帧编码和有 B 帧编码表 2-5 TCP 和 UDP 推流协议推流协议优势劣势TCP可靠性传输，

34、保障数据无差错、不丢失、不重复少量丢包或乱序时，需等待重传，增加业务传输时延，且会降低吞吐量UDP传输速度快，对数据总是尽力转发，实时性强不保障可靠性传输，丢包无重传机制如要保障可靠性需单独实现，资源占用会相对较高2.2 低时延、低抖动的网络传输随 着 FPS（First Person Shooting， 第 一 人 称 射 击）、MOBA（Multiplayer Online Battle Arena，多人在线战术竞技）类竞技游戏在全球盛行，典型的游戏有绝地求生、CS GO、英雄联盟、Dota2等，云游戏也必须达到竞技类游戏的标准，主流画质 1080P 分辨率，帧率至少144fps（fram

35、es per second，每秒传输帧数）。AAA 级别的游戏（简称 3A 游戏）云化需求也很强烈，云游戏整体架构和端到端技术13其主流画质达到 4K 分辨率，帧率至少 60fps。这两类游戏的云化对网络的带宽、时延、抖动带来了严格要求，特别是低时延和确定性抖动的传输。2.2.1全光网络在低时延和确定性抖动的传输要求下，全光网络是趋势，其特点是大带宽、低时延、0 抖动。在架构上，全光网络推动光电融合，简化网络层次。OTN 下沉至 CO 节点，网络扁平化，基于ODUk 硬管道实现全光一跳入云，业务不收敛。引入全光交叉技术，构建立体骨干网，实现全光调度。在转发上，采用分布式 OLT 实现业务与交换

36、分离，利用 DSCP 替代 CoS 实现网络分片，为云游戏打造专用承载切片，恒定 bit 流，全程 0 抖动，从而提供确定性低时延网络。在家庭侧，应用智能千兆 ONT 接入 OLT，运用 EAI( 嵌入式人工智能 ) 算法，智能识别云游戏业务流特征，提供专享通道，定向 QoS 保障。同时结合双核芯片、SOC 芯片加速，确保游戏画面流畅 0 卡顿。2.2.2家庭 Wi-Fi技术高性能Wi-Fi是家庭网络的关键， 对于PC、 机顶盒等终端， 千兆以太网可以很好地支撑云游戏要求，而对于没有网口的笔记本、PAD、手机等设备，则需要家庭 Wi-Fi 来支撑。现在家庭比较常用的是支持 Wi-Fi 4（原命

37、名为 802.11n）和 Wi-Fi 5（原命名为 802.11ac）的AP，一般可工作在 2.4GHz 和 5GHz 频段。2.4GHz 频段信道少，相互重叠，干扰严重， 难以承载云游戏业务。5GHz 频段虽然能提供更大的频宽和更多的信道，但随着 5GHz Wi-Fi 路由器在家庭里的推广和普及，且大部分默认工作在高频频段，5GHz 高频频段的干扰也开始变得严重。因此目前如果使用Wi-Fi 来体验云游戏，建议使用 5GHz 的低频频段，并做好信道的规划，避免与周围的信号冲突。如果升级到 Wi-Fi 6，云游戏将会得到更好的体验。Wi-Fi 6 是 Wi-Fi 联盟发布的新一代 Wi-Fi 标

38、准，得益于了多用户多入多出（MU-MIMO）和正交频分多址（OFDMA）等技术，Wi-Fi 6 允许路由器同时与多个终端通信，解决了之前一次只能和一个终端通信的问题，不必排队等待，同时提减少拥塞、提升效率、提升抗干扰能力，传输速率可达 9.6Gbps，时延可从 30ms 可降至 10ms 以内。预计 2020年 Wi-Fi 6 会进入全面商用阶段。Wi-Fi 5Wi-Fi 6旧命名方式802.11ac802.11ax发布时间2013 Wave1 2015 Wave22018信道20/40/80/160 MHz20/40/80/160 MHz最高调制256QAM1024QAM带宽2.5Gbps9

39、.6Gbps时延30ms10ms图 2-9 云游戏确定性低时延全光网络表 2-6 Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6抓屏、编码解码、显示云端侧网络侧终端侧OTNOTN10G PON OLT游戏ONT云游戏整体架构和端到端技术14终端主要负责解码和上传用户的游戏操作指令。2.3.1解码技术编码后的图像经过网络到达终端后，终端需要对其解码，才能在屏幕显示出来。解码的过程与编码的过程是相反的，主要有熵解码、反量化、反变换、预测几个步骤。同样解码也有软解码和硬解码的区别 ，软解码主要依靠软件，在 CPU 上完成，硬解码主要调用GPU 的专门模块完成。硬解码的性能和效率更高，且在硬件不断发展下，硬解码的

40、质量不比软解码差，甚至还优于软解码，所以通常首选硬解码。云游戏对解码芯片也提出了要求，例如 2K144fps，或 4K60fps，对于 3A 游戏，还需要 HDR高动态、BT.2020 高色域空间、10-12Bit 高色深来呈现更加精细的画面。按照帧率 144fps 的要求，每一帧的解码时延需要低于 1/144=6.94ms。2.3.2操作指令收集终端除了解码之外，还负责另一个重要工作，就是收集用户的操作指令，并上传到云端，作为游戏的输入。目前常见的游戏输入设备类型有三个，鼠标、键盘和游戏手柄。云游戏至少需要支持这三种游戏输入设备。2.3 终端关键技术GPU 开发 SDK说明Intel Med

41、ia SDK英特尔的开发库，包含解码、处理和编码三大模块。NVIDIA CUDA英伟达推出的一种并行计算架构，调用其 NVCUVID 组件完成视频的硬解码 AMD APP SDKAMD 针对旗下 GPU 推出的并行计算技术，前身是 ATI Stream。类型说明鼠标（Mouse）计算机的一种输入设备，也是计算机显示系统纵横坐标定位的指示器。电竞级的鼠标拥有1000次/秒的回报率， 每毫秒上传一次数据， 使得游戏操作更加迅速和流畅。键盘（Keyboard）大部分电竞游戏必备的操作设备之一，键盘的按键更多，可以设置游戏的快捷键，实现更加丰富、快速的游戏操作。手柄（JoyStick）常见电子游戏机的

42、部件之一，是在 3A 游戏、动作类、赛车类等游戏中非常常见的游戏输入设备。手柄可以通过无线适配器来连接，如果在电视大屏上玩云游戏，适合使用手柄。表 2-7 解码的实现方式表 2-8 游戏输入设备云游戏体验要素分析与实测153.1.1云游戏体验的关键要素云游戏用户体验可以归纳为视听体验需求和交互体验需求两大类。基于这两大类需求，从内容质量、呈现质量、操作质量、响应质量 4 个维度，提炼出用户体验的关键需求，如下图所示。3A 游戏更注重视听体验，竞技类游戏更注重交互体验 3A 游戏重在画面制作精美，并往往伴随着寻宝等场景，需要玩家不断地观察画面中的环境变化，因此玩家会很关注游戏剧情是否足够引人入胜

43、、画面是否足够精美，这类游戏往往需要高分辨率内容来带给用户更强的沉浸感。 竞技类游戏有一个共同的核心就是对抗、比赛，主要依靠游戏玩家的操作技能和反应能力，玩家们的注意力会重点放在交互上，因此对操作响应时延往往有更高的要求。3.1.2网络对云游戏体验的影响云游戏体验要素与本地游戏总体一致，不同的是云游戏引入编解码、网络传输等环节，其业务体验受到了云、管、端更多因素的影响，其中网络的优劣会影响到云游戏的视听体验和交互体验。视听体验网络对于视觉与听觉体验的保障关键在于将视频和音频数据快速、稳定地传至终端，而音频数据量3.1 云游戏体验理论概述图 3-1 云游戏用户体验的关键需求第 3 章 云游戏体验

44、要素分析与实测视听体验需求交互体验需求云游戏用户体验清晰度流畅度色彩保真画面立体感音频立体感清晰度流畅度视听同步花屏、卡顿画面立体感音频立体感准确度舒适度加载等待操作响应真实无损快速精准内容质量呈现质量操作质量响应质量云游戏体验要素分析与实测16较小，因此网络对于视觉体验的影响会更明显。云游戏画质体验要求越高，对分辨率、帧率、码率等要求越大，网络通量要求也会越高。网络带宽不足、出现丢包，将导致通量降低，从而可能引起画面卡顿和花屏。网络抖动过大，将导致帧间隔不稳定，进而可能出现跳帧的现象。交互体验云游戏的加载等待时延主要依赖于游戏应用自身的加载时延，网络时延对其影响几乎可忽略。在云游戏中，当用户

45、在进行键鼠、手柄等操作后，希望能从视觉和听觉上获取快速响应，如果操作响应时延偏大则会让用户感觉到迟滞感。云游戏用户体验关键因素和网络指标的关系如下图所示，总体来说，云游戏业务对网络提出了超大带宽、确定性低时延、超低丢包的需求。分辨率 色深 帧率编码 码率游戏画面有效帧率游戏加载时长游戏操作响应时延带宽丢包时延画面质量观看体验交互体验真实感愉悦感交互感影响抖动图 3-2 游戏用户体验和网络指标的关系图 3-3 云游戏用户体验映射到功能组件和模块3.1 节介绍了云游戏用户体验的关键要素，这些要素分解和映射到各个具体的功能组件和模块中，如下图所示。接下来将介绍影响云游戏体验的几个关键指标。3.2 云

46、游戏体验的关键指标处理时延（计算渲染）（预处理）（压缩编码）（推流）视听体验需求交互体验需求云游戏用户体验清晰度流畅度色彩保真画面立体感音频立体感清晰度流畅度视听同步花屏、卡顿画面立体感音频立体感准确度舒适度加载等待操作响应真实无损快速精准内容质量呈现质量操作质量响应质量画质音频终端网络外设终端网络平台分辨率帧率色深编码码率立体视觉音频编码码率源声道数量采样率屏幕分辨率屏幕刷新率渲染声道数量视听同步解码性能丢帧跳帧通量抖动鼠标回报率键盘轴体手柄灵敏度解码时延渲染时延屏幕刷新周期屏幕响应延迟时延抖动云游戏体验要素分析与实测173.2.1分辨率目前国内市面上的云游戏产品，普遍达到了 1920108

47、0 的分辨率，也即 1080P。对于 27 寸显示器及以下的其他显示屏，该分辨率尚能接受。但面对越来越大的屏幕，1080P 将力不从心，尤其在家庭场景，4K（40962160）将成为主流，谷歌在 2019 年 E3 展示的就是 4K 分辨率的云游戏。实现分辨率的提升，需要考虑到编解码的压力、硬件能力以及成本。当前通过提升硬件来加强编解码能力，进行更高分辨率的支持是可行的，但成本方面将大幅上涨，所以只有依靠更好的编解码算法来做有限的提升。根据实验室实际测试结果，良好的云游戏画质体验，要求最少 1080P 分辨率。在屏幕越来越大的现实场景下，720P 分辨率的云游戏，画面清晰度仅能满足游戏可玩。3

48、.2.2帧率游戏与电影的生成图像原理不同，游戏需要更高帧率才能让画面有视觉流畅感。因为游戏每一帧是实时渲染的离散图片， 而电影画面是摄像机自然移动的实际连续场景， 电影的每一帧包含一段时间信息 （时间长度由快门决定）。每秒到达本地并最终显示在显示器上的画面数量，决定了玩家玩游戏时的体验。尤其是 FPS 类、MOBA 类游戏，强调操作的反馈性，实时渲染画面帧率的高低将直接影响到玩家的操作，甚至影响战局结果。同时过低的帧率，将导致画面不连贯，令人感到晕眩与不适。流畅的云游戏体验，一方面需要云端具备高性能的显卡，渲染出高帧率更平滑的游戏画面，以使玩家在游戏中能看得更清晰、瞄得更准；另一方面显示器也要

49、能达到足够高的刷新率，以更好的发挥显卡的性能，给玩家带来更流畅的画面表现。目前主流办公用的液晶显示器大多采用 60Hz 刷新率，游戏专用显示器一般是 144Hz、顶级配置可达 240Hz。4K 电视屏幕大多是 30Hz 或 60Hz 刷新率，少量高端型号为 120Hz。在显示器刷新率已经达到足够水平时，云游戏平台显卡渲染的游戏帧率高低已然成为制约云游戏体验的主要因素。经过实验室实际测试，对于 PC 显示器，云游戏的屏幕刷新率和渲染帧率都要达到 144fps，才能给FPS/MOBA 等竞技类游戏带来较好的操作体验；对于 4K 电视大屏，3A 高画质类游戏，60fps 帧率即可满足体验要求，竞技类

50、游戏要求 120fps 以上帧率，并需要同步提高 4K 电视屏的刷新率。3.2.3码率云游戏视频编码过程就是在云游戏平台上将视频流压缩的过程，不同视频编码技术的压缩率不同，压缩率越高、视频传输的码率越低。码率是影响画质的重要因素。当以较大的码率推流，可以保证高端玩家的游戏体验，这通常需要有很好的网络条件，同时考验平台的推流能力；如果云游戏平台提高压缩比、降低码率，可以放宽对网络的要求，但会降低画面质量、图 3-4 一个圆从左下角移动到右下角 ( 图片来自互联网）游戏Frame 1 t1Frame2 t2Frame 1 t1Frame2 t2电影云游戏体验要素分析与实测18同时不可避免地会增大编