五分鐘技術(shù)趣談 | 分布式UUID的生成策略及應(yīng)用場(chǎng)景淺析

作者：錢(qián)江奇 李鳴揚(yáng)

單位：中國(guó)移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營(yíng)中心?智慧互聯(lián)產(chǎn)品部

Labs 導(dǎo)讀

UUID是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的一個(gè)概念。UUID用來(lái)識(shí)別屬性類(lèi)型，在所有空間和時(shí)間上被視為唯一的標(biāo)識(shí)。本文將從UUID的構(gòu)成方式、現(xiàn)行版本、生成策略、應(yīng)用案例等方面作介紹。

Part 01●??什么是UUID?●

UUID全稱Universal Unique Identifier是一串128位數(shù)字碼,用于唯一識(shí)別網(wǎng)絡(luò)對(duì)象或者事件。由于其獨(dú)特的生成機(jī)制和使用場(chǎng)景，UUID可以確保全局唯一性，避免重復(fù)。UUID廣泛應(yīng)用于各種需要唯一識(shí)別的場(chǎng)景，例如數(shù)據(jù)庫(kù)主鍵、系統(tǒng)實(shí)例ID, 識(shí)別生命周期短暫的藍(lán)牙配置文件和對(duì)象等。

UUID是類(lèi)似于GUID的術(shù)語(yǔ)，最初由微軟引入的GUID實(shí)際上是UUID的一種變體，在RFC 4122規(guī)范中將這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)定義為同義詞。隨后，開(kāi)放軟件基金會(huì)(OSF)對(duì)UUID進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，使其成為分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，衍生出的各個(gè)UUID版本都遵循RFC 4122規(guī)范。

Part 02●??UUID的構(gòu)成方式?●

但如果計(jì)UUID通常通過(guò)特定算法生成，例如基于時(shí)間戳或網(wǎng)絡(luò)地址等。UUID通過(guò)特定的組合排列方式確保其唯一性，由32個(gè)16進(jìn)制數(shù)字（包括數(shù)字0到9和字母A到F）和4個(gè)連字符構(gòu)成。每個(gè)連字符的字符數(shù)是8-4-4-4-12，其中最后4位或者N位表示格式和編碼：

UUID也可以用十進(jìn)制或者二進(jìn)制格式表示：

傳統(tǒng)的UUID大致分成3種變體：

? 變體0：為了兼容80年代未過(guò)時(shí)的阿波羅網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)而保留，它的結(jié)構(gòu)與目前使用的version 1相似。

? 變體1：目前主要使用的變體，在Internet工程文檔規(guī)范中被定義為RFC 4122/DCE 1.1 UUID或Leach-Salz UUID，例如微軟的GUID就是UUID的變體1。

? 變體2：為了兼容微軟后續(xù)發(fā)展而保留，盡管現(xiàn)有的微軟GUID是UUID的變體1，但早期Windows平臺(tái)使用的是變體2。變體1和變體2在N位位置的比特?cái)?shù)字不同，例如變體1使用2位比特位,而變體2使用3位比特位。

Part 03●??UUID的現(xiàn)行版本?●

現(xiàn)有的UUID主要是基于變體1衍生出來(lái)的，由5個(gè)不同版本組成，不同版本的UUID生成方式有所區(qū)別，具體包括：

? Version1：基于時(shí)間戳和節(jié)點(diǎn)生成的UUID。它使用當(dāng)前時(shí)間和計(jì)算機(jī)的MAC地址來(lái)生成唯一標(biāo)識(shí)符。這個(gè)版本的UUID保證了全局唯一性和時(shí)間排序性，但在某些情況下可能存在安全性和隱私問(wèn)題。

? Version2：基于DCE安全標(biāo)識(shí)符（DCE Security Identifier）生成的UUID。這個(gè)版本的UUID將標(biāo)識(shí)符的角色和權(quán)限信息編碼到UUID中，使其能夠表示用戶、組和ACL（訪問(wèn)控制列表）。然而，這個(gè)版本的UUID并不常見(jiàn)，也沒(méi)有得到廣泛支持。

? Version3：基于名稱和命名空間生成的UUID。它使用MD5散列函數(shù)對(duì)名稱和命名空間進(jìn)行處理，生成唯一的標(biāo)識(shí)符。這個(gè)版本的UUID可用于標(biāo)識(shí)命名空間中的對(duì)象，如URL、域名等。

? Version4：基于隨機(jī)數(shù)生成的UUID。這個(gè)版本的UUID使用隨機(jī)數(shù)生成算法生成，因此具有很高的隨機(jī)性和唯一性。它是目前最常用的UUID版本，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

? Version5：基于名稱和命名空間生成的UUID。它與Version 3相似，但使用的是SHA-1散列函數(shù)，提供更強(qiáng)的散列算法。這個(gè)版本的UUID也可用于標(biāo)識(shí)命名空間中的對(duì)象。

Part 04●??現(xiàn)有UID的生成策略?●

4.1 Mysql生成ID

Mysql使用主鍵auto_increment方式生成ID,ID之間的步長(zhǎng)固定，但可以自定義步長(zhǎng)。這種方式簡(jiǎn)單易用，可以保證ID的遞增性和唯一性，但是存在單點(diǎn)故障和數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題、在擴(kuò)展性方面也存在一定的挑戰(zhàn)。

4.2 MongoDB生成ID

MongoDB生成的UUID是由12字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)字組成，具體組成：4字節(jié)--以秒為單位的時(shí)間戳，3字節(jié)--機(jī)器標(biāo)識(shí)符，2字節(jié)--進(jìn)程ID,3字節(jié)--計(jì)數(shù)器（從一個(gè)隨機(jī)值開(kāi)始）。比傳統(tǒng)的UUID短，但比MYSQL自動(dòng)增量字段（64位Bigint值）長(zhǎng)。

4.3 Redis生成ID

Redis通常使用原子操作INCR或INCRBY實(shí)現(xiàn)ID生成。如果是Redis集群可以設(shè)置ID初始值并自定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)ID的步長(zhǎng)。由于Redis是單線程模型，可以保證生成的ID具備唯一性。

4.4 Zookeeper生成ID

Zookeeper主要通過(guò)ZNODE數(shù)據(jù)版本生成ID,此ID通常是32位或者64位字符串構(gòu)成，客戶端可以使用該ID作為UID使用。由于需要強(qiáng)依賴Zookeeper，在高并發(fā)的場(chǎng)景多的情況下很少考慮使用這種方式。

Part 05●??UUID的應(yīng)用案例分析?●

5.1 Twitter生成UUID

Twitter使用雪花算法作為專(zhuān)業(yè)服務(wù)來(lái)統(tǒng)一生成64位唯一標(biāo)識(shí)符，用于分布式系統(tǒng)中的對(duì)象標(biāo)識(shí)，例如推特、直接消息、列表等。這些ID是基于時(shí)間的的唯一無(wú)符號(hào)64位整數(shù)，完整的ID定義主要組成方式如下：

41位--時(shí)間戳以毫秒為單位（相對(duì)于任何自定義紀(jì)元，通?？梢允褂?9年）

10位--已配置的機(jī)器/節(jié)點(diǎn)/分片ID

12位--序列號(hào)（每臺(tái)機(jī)器的本地計(jì)算器，每4096個(gè)值后設(shè)置為0）

1位--額外保留位，一般被設(shè)置為0來(lái)確保總數(shù)為正值

按著這種方法構(gòu)成的UID不僅提高可用性，因?yàn)槭褂脮r(shí)間戳為首部分，還可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行排序。默認(rèn)情況下，雪花算法生成一個(gè)64位的無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型，也就是長(zhǎng)度為19的ID。有時(shí)具體項(xiàng)目中可能不需要這么長(zhǎng)，也可以根據(jù)自身需要修改該算法。

5.2 百度生成UUID

百度基于雪花算法改進(jìn)生成UID，對(duì)UID的bit位進(jìn)行調(diào)整,將時(shí)間戳部分修改為28位，用于表示當(dāng)前時(shí)間與初始上線生成的時(shí)間的時(shí)間差（單位為秒），其中初始時(shí)間可以手工配置。使用22位表示工作節(jié)點(diǎn)ID,實(shí)例啟動(dòng)的時(shí)候生成分布式ID,寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中得到的自增長(zhǎng)序列值。使用13位序列號(hào)來(lái)解決時(shí)間回?fù)艿葐?wèn)題，如果當(dāng)前時(shí)間和上一次是時(shí)間相同則序列自增，超過(guò)閾值則自旋。

5.3 美團(tuán)生成UUID

美團(tuán)基于雪花算法改進(jìn)，使用“1+41+5+5+12”的方式構(gòu)成UID，在原雪花算法的基礎(chǔ)上，使用5位bit代表機(jī)器ID，5位bit代表機(jī)房ID，12位序列號(hào)代表自增值，由于集群較大，基于Zookeeper組件特性配置機(jī)器ID。對(duì)于時(shí)間回?fù)軉?wèn)題的解決方案，設(shè)定閾值5毫秒，回?fù)軙r(shí)間小于5毫秒則等待回?fù)芎笾匦律尚碌腢ID，超過(guò)閾值則拋出異常。

其他大型互聯(lián)網(wǎng)公司生成UID的方案，大部分都是基于Twitter的雪花算法進(jìn)行改進(jìn)，其中滴滴使用“時(shí)間戳+起點(diǎn)編號(hào)+車(chē)牌號(hào)”生成相應(yīng)的UID，淘寶訂單則使用“時(shí)間戳+用戶ID”生成，滴滴則在美團(tuán)的方案上將號(hào)段加載到內(nèi)存中，同時(shí)支持多個(gè)主節(jié)點(diǎn)模式。微信的UID生成則主要綁定用戶序列號(hào)，采用步進(jìn)式持久化和分號(hào)段共享存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式。

Part 06●??省級(jí)寬帶電視會(huì)員管理平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)踐?●

省級(jí)寬帶電視會(huì)員管理平臺(tái)主要管理各省寬帶電視的會(huì)員用戶，是一個(gè)大型分布式平臺(tái)，服務(wù)器跨省分布，數(shù)量眾多，存在時(shí)鐘回退問(wèn)題。因此，本平臺(tái)在雪花算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加時(shí)間線的概念，可以同時(shí)支持多條時(shí)間線并行，很好地解決了時(shí)鐘回退問(wèn)題。具體方案如下：

調(diào)整2位bit代表時(shí)間線，最多支持4條時(shí)間線，所有時(shí)間線設(shè)定統(tǒng)一初始時(shí)間，指定一條時(shí)間線為統(tǒng)一時(shí)間線，根據(jù)該時(shí)間線生成相應(yīng)的ID，推進(jìn)時(shí)間進(jìn)度。機(jī)器發(fā)生時(shí)鐘回?fù)軙r(shí)，當(dāng)回?fù)軙r(shí)間間隔大于設(shè)定的閾值，切換到另一條時(shí)間線繼續(xù)生成ID。