Peer-to-peer and cheat-resistant support for massively multiplayer online games

Abstract

Typically, games classified as ‘massively multiplayer online games’ (MMOGs) are competitive, real-time, large-scale interactive simulations of graphical virtual worlds. Currently, most (if not all) commercial MMOGs are implemented as centralized services, where hundreds or even thousands of ‘server’ machines, maintained by the game service provider, are responsible for running almost all of the virtual world simulation. This incurs a significant equipment and communication cost for the game providers. Several works attempt to reduce the cost of hosting a MMOG by proposing more decentralized, peer-to-peer models for distributing the simulation among client (player-owned PCs with consumer-grade broadband) and server (provider-owned) machines, with some going as far as eliminating the need for provider-owned machines altogether. Decentralizing a MMOG, however, creates security issues, as the simulation is now delegated to untrusted client nodes which gain opportunities to cheat the game rules, as the rules are now executed by them. There are several types of cheats, but we show in this thesis that a case can be made for considering state cheating and denial-of-service attacks as the most significant threats for peer-to-peer MMOGs. In light of this, we propose FreeMMG 2, a new MMOG decentralization model based on the division of the virtual world into cells that are maintained individually by separate groups of volunteer peers that are running a non-interactive, daemon simulation process. Each peer of a cell contains a full replica of the cell state and synchronizes both conservatively and optimistically with every other peers (replicas) of the cell, while at the same time receiving game commands and disseminating game updates to actual player machines. Due to its cell replication and random peer selection, we show that FreeMMG 2 is resistant to state cheating. And, due to the use of one secret back-up peer for every primary replica peer of the cell, we show that denial-of-service attacks don’t significantly increase the odds of either state cheating or cell state loss happening. Through network simulation we verify that FreeMMG 2 is scalable and bandwidth-efficient, showing that a replication-based approach to peer-to-peer MMOG support, considering peers with realistic Internet connectivity (no IP multicast and consumer-grade broadband), is a viable one.

Em geral, jogos classificados como ‘jogos online maciçamente multijogador’, ou massively multiplayer online games (MMOGs) são simulações interativas, competitivas, em tempo real e em larga escala, de mundos virtuais gráficos. Atualmente, a maioria (se não todos) os MMOGs lançados comercialmente são implementados como serviços centralizados, onde centenas ou até milhares de máquinas servidoras, mantidas pelo provedor do serviço do jogo, são responsáveis por executar quase toda a simulação do mundo virtual. Isto implica em gastos significativos em equipamentos e comunicação por parte dos provedores do jogo. Vários trabalhos tentam reduzir o custo de hospedar um MMOG propondo modelos de distribuição da simulação mais descentralizados (peer-to-peer), onde a simulação é movida parcialmente ou totalmente dos servidores (máquinas dos provedores do jogo) para os nós clientes, tipicamente PCs de jogadores conectados por banda larga residencial. Porém, a tentativa de descentralizar um MMOG cria problemas de segurança, na medida em que a simulação passa a ser delegada a nós clientes, que são nós intrinsecamente não-confiáveis que ganham a oportunidade de trapacear no jogo, burlando as regras, visto que as regras da simulação serão executadas por estes. Existem vários tipos de trapaças, mas nós mostramos nesta tese que é possível argumentar que a trapaça de estado (state cheating) e ataques de negação de serviço são as ameaças mais significativas para MMOGs peer-to-peer. Como consequência, nós propomos o FreeMMG 2, um novo modelo de descentralização de MMOGs baseado na divisão do mundo virtual em células que são mantidas individualmente por grupos separados de peers voluntários que executam um processo daemon, não-interativo de simulação. Cada peer de uma célula contém uma réplica completa do estado da célula e se sincroniza de forma tanto conservadora quanto otimista com cada outro peer (réplica) da célula, enquanto ao mesmo tempo recebe comandos de jogo e dissemina atualizações de jogo para as máquinas ‘cliente’ dos jogadores do jogo. Devido à replicação e à seleção aleatória de peers para as células, nós mostramos que o FreeMMG 2 é resistente a trapaça de estado. E, devido ao uso de um peer back-up secreto para cada peer réplica primária da célula, nós mostramos que ataques de negação de serviço contra os peers não irão aumentar de forma significativa a probabilidade de ocorrência de trapaça de estado ou de perda total do estado da célula atacada. Através de simulação de rede, nós mostramos que o FreeMMG 2 é escalável e que utiliza a largura de banda dos clientes de forma eficiente. Assim, mostramos que uma abordagem baseada em replicação de suporte a MMOGs, considerando clientes com conectividade à Internet realística (sem IP multicast e com banda larga doméstica), é viável.