Lockstep vs. Client Prediction vs. Server Reconciliation

Lockstep 모델의 작동 원리와 한계

온라인 멀티플레이어 게임을 개발하거나 분석해보신 분이라면, 한 번쯤은 Lockstep 모델이라는 개념을 접해보셨을 겁니다. 이름만 들으면 뭔가 복잡해 보이지만, 사실은 굉장히 기초적인 아이디어에서 출발했습니다. 바로 “모든 참가자가 같은 게임 상태를 똑같이 계산한다”는 원칙이죠. 처음 이 구조를 접했을 땐 저 역시 의아했습니다. 아니, 왜 굳이 모든 클라이언트가 같은 계산을 반복해야 하지? 하지만 이 방식이 가진 독특한 매커니즘과 그 한계를 들여다보면, 나름의 철학이 보이기 시작합니다.

결정론적 시뮬레이션 구조

Lockstep은 클라이언트가 입력만 공유하고, 모든 시뮬레이션은 로컬에서 ‘같은 방식’으로 처리되도록 강제합니다. 네트워크 환경에서도 완전히 동일한 결과를 재현하려면, 물리엔진이나 RNG(난수 생성기)까지도 철저히 동기화되어야 하죠. 한 치의 오차도 허용하지 않는 이 구조는, 놀랍게도 상당히 오래전부터 사용되어 왔습니다.

네트워크 동기화 방식

동기화는 매우 단순하지만 강력한 방식으로 이루어집니다. 모든 참가자는 매 프레임마다 자신의 입력을 전송하고, 다른 유저들의 입력이 모두 도착할 때까지 기다립니다. 일정 수의 입력이 모이면 그걸 기준으로 다음 상태를 계산하죠. 이때까지는 절대로 한 프레임도 넘기지 않습니다.

모든 입력 대기 구조의 장점

이런 방식의 가장 큰 장점은 바로 ‘상태 일관성’입니다. 서버든 클라이언트든 계산 결과가 완전히 일치하므로, 유닛이 두 군데에서 동시에 존재한다든가, 전투 결과가 서로 다르게 나타나는 일은 절대 발생하지 않습니다. 실시간 전략 게임(RTS)에서 승패가 미세한 변수 하나로 갈릴 수 있다는 점을 생각하면, 이건 꽤 치명적인 장점입니다. 실제로 Age of Empires II는 이 구조를 기반으로 동기화 실패를 최소화하며 안정적인 멀티플레이 환경을 제공했습니다(Microsoft Ensemble Studios, GDC 2002).

지연 발생 시 플레이어 경험

하지만 이 모델의 가장 큰 단점 역시 바로 여기에서 비롯됩니다. 참가자 중 단 한 명이라도 네트워크 지연이 발생하면, 나머지 전원도 그 지연을 함께 겪어야 한다는 점이죠. 마치 수업시간에 한 학생이 늦게 들어오면 전체 수업이 멈추는 상황과 비슷합니다. 예전에 제가 친구들과 함께 StarCraft를 플레이할 때, 누군가가 모뎀을 쓰고 있었던 기억이 나네요. 3초마다 멈췄다 가는 그 느낌, 지금도 생생합니다.

대표적인 적용 사례

Lockstep은 단순하지만 매우 강력한 동기화 방식을 기반으로 하기 때문에, 복잡한 서버 인프라가 없던 시절에는 거의 필수에 가까운 선택지였습니다. 특히 동기화 실패가 게임 플레이에 치명적인 영향을 미치는 장르에서 그렇습니다.

클래식 RTS 장르에서의 활용

대표적인 예는 StarCraft: Brood War입니다. 이 게임은 중앙 서버가 판정을 내리는 방식이 아니라, 클라이언트끼리 입력을 공유하며 Lockstep으로 상태를 맞췄습니다. 그렇게 해서 ‘명령 지연 없이 빠르고 공정한 판정’을 실현할 수 있었죠. 이런 구조 덕분에 당시로서는 놀라울 정도로 정밀한 조작이 가능했고, 그것이 e스포츠화로 이어졌다고 봐도 과언이 아닙니다.

P2P 아키텍처 기반 설계 이점

Lockstep의 또 하나의 장점은 서버 비용 절감입니다. 이 구조는 Peer-to-Peer 구조에 매우 적합해서, 별도의 중앙 서버 없이도 게임이 운영될 수 있습니다. 유저들이 서로의 입력만 잘 공유하면, 모든 계산은 각자의 컴퓨터에서 동일하게 이루어지니까요. 실제로 Warcraft II와 같은 고전 게임들은 거의 서버가 존재하지 않았음에도 놀랍도록 안정적인 멀티플레이를 구현해냈습니다.

Client Prediction의 개념과 기술적 핵심

Client Prediction, 즉 클라이언트 예측 방식은 반응성을 극대화하고 싶을 때 반드시 등장하는 구조입니다. 개인적으로 이 구조를 처음 경험했을 때 느꼈던 감정은 두 가지였습니다. 하나는 ‘와 진짜 빠르다’, 다른 하나는 ‘근데 왜 갑자기 뒤로 튕기지?’라는 혼란. 바로 그것이 이 구조의 핵심 장점과 치명적인 리스크를 동시에 보여주는 장면이었죠.

예측 기반 렌더링의 원리

클라이언트 예측은 사용자의 입력을 서버 응답보다 먼저 적용해서, 지연 시간 동안 사용자에게 “즉각적인 반응”처럼 보이도록 합니다. 예를 들어 플레이어가 앞으로 이동 버튼을 누르면, 클라이언트는 서버 확인을 기다리지 않고 즉시 캐릭터를 앞으로 렌더링합니다. 물론 나중에 서버 응답이 도착하면 실제로 그렇게 이동한 것이 맞는지 확인하고, 필요하다면 조정을 하게 되죠.

로컬 입력 예측 처리 방식

이 예측은 단순히 ‘앞으로 간다’가 아니라, 정확한 위치와 방향, 속도까지 계산해서 렌더링됩니다. 클라이언트는 로컬 입력 데이터를 저장하고, 예측 결과와 서버 결과가 다를 경우엔 상태를 되돌리거나 보정합니다. 이 구조는 Fast-Paced FPS 게임에서 거의 필수적인 요소로 자리 잡았습니다.

지연 보정이 필요한 이유

예측과 실제가 다르면, 보정이 필요합니다. 이를 Reconciliation이라 부르는데요. 클라이언트는 서버로부터의 실제 상태 데이터를 수신하면, 자신이 가진 과거 입력 데이터를 되짚어가며 현재 상태를 ‘재계산’합니다. Valve의 개발자들은 이를 ‘클라이언트 결정론과 서버 권위의 타협’이라고 정의했습니다(Valve Developer Wiki, 2010). 다시 말해, 현실과 환상의 충돌을 수습하는 기술이죠.

예측 실패 시 보이는 화면 현상

예측이 틀렸을 경우, 사용자는 캐릭터가 갑자기 위치를 수정하거나 적을 맞췄다고 생각했는데 맞지 않은 것처럼 느끼게 됩니다. 이걸 흔히 ‘스냅백 현상’이라고 합니다. 정말 순간적으로 화면이 튕기듯 움직이기 때문에 몰입감이 크게 떨어질 수 있죠. 고스란히 체감되는 순간은 멀티 FPS에서 적과 교전 중일 때입니다. 이럴 땐 예측 기술이 오히려 신뢰도를 떨어뜨리기도 합니다.

FPS 장르에서의 적용 이력

이 기술은 빠른 입력 반응이 핵심인 FPS 게임에서 특히 잘 활용됩니다. 사실상 예측이 없으면 총을 쏘는 것도, 점프를 하는 것도 0.1초 이상 늦게 보일 수 있기 때문에, 이 기술은 생존 그 자체라고 할 수 있습니다.

QuakeWorld의 구현 방식

Client Prediction을 게임 산업에서 처음으로 강력하게 적용한 사례는 QuakeWorld입니다. id Software는 당시 200ms 이상의 지연 환경에서도 부드러운 이동을 보여주기 위해, 예측 기반의 로컬 렌더링 시스템을 도입했습니다. 그 당시로서는 진정한 기술적 혁신이었죠(John Carmack, .plan file, 1996).

Call of Duty 시리즈의 접근법

Call of Duty는 Client Prediction의 현대적 해석을 보여줍니다. 이 게임은 입력 시점, 위치 판정, 총알 충돌 모두를 시간 스탬프 기반으로 정밀하게 추적합니다. 특히 서버에서 ‘클라이언트가 쐈던 시점’을 기준으로 명중 판정을 내리는 구조를 채택하고 있어, 마치 클라이언트가 진짜 시간을 주도하는 것처럼 느껴집니다(Infinity Ward, Netcode Developer Q&A, 2017).

Server Reconciliation의 실제 동작 방식

Server Reconciliation은 말 그대로 서버가 주도권을 가지며, 클라이언트가 틀릴 경우 서버가 ‘정정’해주는 방식입니다. 약간은 선생님이 숙제 검사를 하는 것 같죠. 클라이언트가 아무리 자신 있게 결과를 내더라도, 서버가 보기엔 틀렸다면 다시 돌려보내는 구조입니다. 이건 공정성과 보안의 측면에서 매우 강력한 역할을 합니다.

서버-클라이언트 간 판정 차이

Reconciliation이 필요한 이유는 클라이언트가 예측을 하다 보면, 서버와 결과가 어긋나는 경우가 생기기 때문입니다. 서버는 절대적 권위를 가지며, 자신의 상태가 ‘정답’이라고 선언하죠. 클라이언트가 틀렸다고 판단되면, 즉시 수정 패킷을 보내게 됩니다.

상태 롤백과 재계산 구조

이 과정에서 클라이언트는 과거 상태를 되돌아가야 합니다. 자신이 입력한 내용을 모두 다시 계산하고, 서버의 결과와 맞춰야 하죠. 즉, 클라이언트는 ‘되감기’를 한 후 다시 ‘재생’을 해야 합니다. 이걸 프레임 단위로 수행하기 때문에 CPU 부하도 적지 않습니다.

Tick 기반 서버 판정 알고리즘

서버는 보통 Tick이라는 고정 시간 간격 단위로 모든 플레이어의 상태를 체크합니다. 각 Tick마다 클라이언트로부터 받은 입력을 정렬하고, 서버 시간에 맞춰 처리하죠. 이 때 발생하는 동기화 오류를 줄이기 위해, 입력 도착 지연을 고려한 판정 보정 알고리즘이 함께 사용됩니다. Riot Games 역시 이를 기반으로 League of Legends의 판정 체계를 구현했습니다(Riot Engineering Blog, 2016).

서버 우선권 적용 시 발생하는 현상

서버가 모든 걸 결정하다 보면, 때때로 클라이언트는 굉장히 억울한 상황을 겪기도 합니다. 예를 들어 내가 먼저 쐈다고 생각했지만, 서버 기준으로는 늦었다고 판단되어 ‘졌다고 처리되는’ 상황이죠. 이를 “서버 우선권 충돌”이라고 부르며, 종종 경쟁 게임 유저 사이에서 불만의 대상이 되기도 합니다.

네트워크 최적화 관점에서의 이점

그럼에도 불구하고 Server Reconciliation은 수많은 장점을 가지고 있습니다. 특히 대규모 게임에서 트래픽과 부정 행위를 제어하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

트래픽 절감 메커니즘

이 방식은 클라이언트가 자신의 상태를 모두 서버에 전송하지 않고, 오직 입력만 보내는 구조이기 때문에 트래픽을 대폭 줄일 수 있습니다. 예를 들어 60fps 게임이 30Hz로 서버와 동기화한다면, 실제로 전송되는 패킷은 1/2 이하로 줄어들 수 있죠. 이는 모바일 게임이나 저사양 환경에서 특히 중요한 이점입니다.

부정행위 방지와 판정 투명성

가장 중요한 점은 ‘핵 방지’입니다. 클라이언트가 게임 상태를 조작해도, 서버가 권한을 갖고 있으면 이런 조작은 의미가 없어지죠. Apex Legends, Valorant 같은 게임은 서버 판정 위주의 구조를 철저히 구현함으로써 치팅의 여지를 최소화하고 있습니다. 이건 단순한 기술의 문제가 아니라, 플레이어 간의 신뢰를 설계하는 과정입니다.

결론

Lockstep, Client Prediction, Server Reconciliation 이 세 가지 구조는 모두 멀티플레이 게임 환경에서 네트워크 지연과 동기화 문제를 해결하기 위한 서로 다른 해법입니다. Lockstep은 일관성과 공정성을 최우선으로 고려한 결정론적 구조이고, Client Prediction은 반응성과 몰입감을 높이기 위한 기술적 타협이며, Server Reconciliation은 보안성과 판정의 최종 책임을 강화하기 위한 방식입니다. 각각의 기술은 장르, 유저 경험, 서버 비용, 보안 요구사항 등 다양한 요소에 따라 선택되고 조합됩니다.

완벽한 네트워크 모델은 존재하지 않습니다. 그 대신 어떤 게임이든, 어떤 플랫폼이든, 가장 적절한 구조를 골라내고 섬세하게 조율하는 것이 핵심입니다. 수많은 시도와 실패, 그리고 피드백 속에서 이 세 가지 기술은 오늘도 조금씩 진화하고 있습니다. 게임 개발자와 유저 모두가 더 나은 경험을 공유할 수 있도록 말이죠.

FAQ

Lockstep 모델은 지금도 사용되나요?

네, 여전히 사용됩니다. 주로 RTS 장르나 턴제 게임, 그리고 작은 규모의 P2P 멀티플레이 환경에서 많이 활용되고 있습니다. 대규모 MMORPG나 FPS에서는 부적합하지만, 결정론이 중요한 장르에선 여전히 강력한 선택지입니다.

Client Prediction이 체감상 가장 빠른 이유는 무엇인가요?

사용자의 입력에 즉시 반응해 렌더링하기 때문입니다. 실제 서버 응답을 기다리지 않고, 예측된 상태를 바로 화면에 보여주기 때문에 유저 입장에서는 ‘바로바로 반응하는 느낌’을 받게 됩니다.

예측 실패는 왜 발생하나요?

서버와 클라이언트 간의 입력 도착 시간, 지연 시간, 물리 충돌 판정 등이 다르기 때문입니다. 특히 불안정한 네트워크 환경에서는 예측이 틀릴 확률이 높아지고, 그로 인해 화면이 순간적으로 튕기거나 위치가 수정되는 현상이 나타납니다.

Server Reconciliation은 무조건 필요한가요?

모든 게임에 반드시 필요한 건 아닙니다. 하지만 경쟁성과 공정성을 보장해야 하는 게임에서는 필수에 가깝습니다. 클라이언트만으로는 치팅 방지가 어려우며, 서버의 절대적인 판정 권한이 있어야 전체 시스템이 신뢰를 유지할 수 있습니다.

세 가지 기술을 동시에 쓸 수도 있나요?

네, 실제로는 많은 게임이 이 기술들을 ‘하이브리드’로 조합해서 사용합니다. 예를 들어, 클라이언트 예측과 서버 판정을 병행하면서도, 일부 상태는 Lockstep 구조처럼 고정 동기화하는 방식도 있습니다. 특히 MOBA나 TPS 장르에서 많이 활용됩니다.

왜 Lockstep은 지연에 그렇게 민감한가요?

모든 유저의 입력이 도착해야 다음 틱으로 넘어갈 수 있기 때문입니다. 즉, 한 명의 네트워크가 느려지면 모든 플레이어가 함께 느려지게 됩니다. 이 때문에 Lockstep을 사용하는 게임은 최소한의 핑을 요구하거나, 지연 보정 알고리즘을 함께 도입하는 경우도 있습니다.

클라이언트가 서버보다 더 정확할 수는 없나요?

기술적으로는 가능하더라도, 신뢰의 문제 때문에 그렇게 설계하지 않습니다. 클라이언트는 유저가 직접 접근 가능한 환경이기 때문에, 데이터를 조작하거나 조작된 입력을 보낼 위험이 항상 존재합니다. 이 때문에 서버가 최종 권한을 가지는 것이 일반적입니다.

예측이 틀렸을 때 보정은 어떻게 이루어지나요?

클라이언트는 자신이 보낸 과거 입력을 저장하고 있다가, 서버로부터 상태를 받으면 과거 입력을 기준으로 상태를 다시 계산합니다. 이를 Rewind-Replay라고 부르며, 짧은 시간 동안의 상태를 되감고 다시 실행하는 방식으로 이루어집니다.

서버가 느릴 경우에도 보정이 잘 되나요?

서버가 느려지면 예측 자체의 가치가 줄어들 수 있습니다. 그 이유는 서버로부터의 응답이 지나치게 지연되면, 클라이언트의 예측 범위가 너무 커지기 때문입니다. 이럴 땐 보정이 빈번하게 발생하고, 화면이 자주 튕기게 되어 오히려 혼란을 유발할 수 있습니다.

어떤 구조가 가장 좋은 구조인가요?

단 하나의 정답은 없습니다. 반응성이 중요한 FPS 게임은 Client Prediction과 Server Reconciliation의 조합이 효과적이고, 동기화 정밀성이 중요한 RTS는 Lockstep이 유리합니다. 개발자가 어떤 경험을 사용자에게 제공하고자 하는지에 따라 선택이 달라질 뿐입니다.