游戲人生

Writen by Fox(yulefox.at.gmail.com)

在具體討論之前，本文先厘清UUID（Universally Unique IDentifier）與GUID（Globally Unique IDentifier）的關(guān)系。

在分布式、網(wǎng)絡(luò)、單機環(huán)境下，為了能夠使用具有某種形式的ID唯一標識系統(tǒng)中的任一元素，這樣的ID可以不依賴中心認證自動生成，于是UUID就誕生了。

UUID標準的歷史沿革和具體實現(xiàn)在RFC 4122、ITU-T Rec. X.667和ISO/IEC 9834-8:2008中均有詳細描述。ITU和ISO采用的標準和RFC 4122都是在UUID的早期版本基礎(chǔ)上完成，各版本之間具有一致性和兼容性。

因為不能保證UUID的唯一性，ITU和ISO針對UUID的使用都有免責(zé)聲明。

GUID一般是指Microsoft對于UUID標準的實現(xiàn)，UUID的實現(xiàn)則多見于其他系統(tǒng)（*NIX、MAC OS等）中。在了解了這一區(qū)別后，本文將統(tǒng)一使用UUID來指代對應(yīng)的原理、算法及實現(xiàn)。

文中關(guān)于UUID的討論全部基于RFC 4122和ITU-T Rec. X.667以及OSF、IETF、ITU－T、ISO、FIPS的各種標準文檔。而UUID的細節(jié)（如結(jié)構(gòu)、表示、算法、實現(xiàn)等）均以ITU-T Rec. X667為唯一藍本，文中“本標準”即指代該藍本。

o 介紹

UUID是長度為16-byte（128-bit）的ID，一般以形如f81d4fae-7dec-11d0-a765-00a0c91e6bf6的字符串作為URN（Uniform Resource Name，統(tǒng)一資源名稱）。

o 動機

無須中心認證，自動生成，支持一臺機器每秒生成10M次（100納秒級，其隱含原因是指能夠區(qū)分的最小時間單位為100ns，將時間作為因子時，連續(xù)生成兩個UUID的時間至少要間隔100ns）。方便存取、分配、排序、查找。

o 結(jié)構(gòu)

   76543210765432107654321076543210
   + – - – = – - – = – - – = – - – +
15 |            TimeLow            | 12
11 |    TimeMid    |   Version..   |  8
7  |Vari.. |Clock..|     Node      |  4
3  |             Node              |  0
   + – - – = – - – = – - – = – - – +
15 – 12: TimeLow 時間值的低位
11 – 10: TimeMid 時間值的中位
09 – 08: VersionAndTimeHigh 4位版本號和時間值的高位
07: VariantAndClockSeqHigh 2位變體（ITU-T）和時鐘序列高位
06: ClockSeqLow 時鐘序列低位
05 – 00: Node 結(jié)點
hexOctet = hexDigit hexDigit
hexDigit =
“0″ / “1″ / “2″ / “3″ / “4″ / “5″ / “6″ / “7″ / “8″ / “9″ /
“a” / “b” / “c” / “d” / “e” / “f” /
“A” / “B” / “C” / “D” / “E” / “F”
UUID =
TimeLow
“-” TimeMid
“-” VersionAndTimeHigh
“-” VariantAndClockSeqHigh ClockSeqLow
“-” Node

UUID由上述6個域構(gòu)成，每個域編碼為若干字節(jié)，并以16進制數(shù)表示這128位的UUID，相鄰域以減號“-”分隔 （VariantAndClockSeqHigh和ClockSeqLow對應(yīng)的兩個字節(jié)例外，如上所示）。該結(jié)構(gòu)中包含版本（Version）、變體 （Variant）、時間（Time）、時鐘序列（Clock Sequence）、節(jié)點（Note）信息（以無符號整型值表示）。

o 合法性

除判斷variant位設(shè)置是否正確、基于時間生成的UUID時間值是否為未經(jīng)分配的將來時間外，實際應(yīng)用中沒有其他機制可以判定UUID是否合法。

o 變體

Variant位是UUID第7字節(jié)（VariantAndClockSeqHigh）的最高3位，

7 6 5  Description
0 – –  NCS向后兼容
1 0 –  本標準
1 1 0  Microsoft向后兼容
1 1 1  ITU-T Rec. X.667保留

o 版本

UUID的生成有時間、名稱、隨機數(shù)三種策略，以第9字節(jié)（VersionAndTimeHigh）的最高4位表示。

目前UUID定義有5個版本：

7 6 5 4  Ver  Description
0 0 0 1  1    基于時間的版本（本標準）
0 0 0 0  2    使用嵌入式POSIX（DCE安全版本）
0 0 1 1  3    使用MD5哈希的基于名稱的版本（本標準）
0 1 0 0  4    基于隨機數(shù)的版本（本標準）
0 1 0 1  5    使用SHA-1的基于名稱的版本（本標準）

o 時間

時間是一個60位的整型值（除4位版本號外的前8字節(jié)），對應(yīng)UTC（格林尼治時間1582年10月15日午夜始）的100ns時間間隔計數(shù)。

對于ver 4和5，該值分別對應(yīng)一個隨機數(shù)和一個全局唯一的名稱。

o 時鐘序列

對基于時間的UUID版本，時間序列用于避免因時間向后設(shè)置或節(jié)點值改變可能造成的UUID重復(fù)，對基于名稱或隨機數(shù)的版本同樣有用：目的都是為了防止UUID重復(fù)。

如果前一時鐘序列已知，通過自增實現(xiàn)時鐘序列值的改變；否則，通過密碼學(xué)（偽）隨機數(shù)設(shè)置新的時鐘序列值。

o 節(jié)點

對基于時間的UUID版本，節(jié)點由48位的單播MAC地址構(gòu)成。對于沒有MAC地址的系統(tǒng)，節(jié)點值為一個密碼學(xué)（偽）隨機數(shù)（為防止與MAC地址發(fā)生碰撞，需設(shè)置多播位）。

o 確定UTC時間（60位 Time）和時間序列值（14位 ClockSequence）；

o 設(shè)置TimeLow（對應(yīng)Time的31-0位）；

o 設(shè)置TimeMid（對應(yīng)Time的47-32位）；

o 設(shè)置VersionAndTimeHigh（4位版本號及Time的59-48位）；

o 設(shè)置VariantAndClockSeqHigh（變體位及對應(yīng)ClockSequence的13-8位）；

o 設(shè)置ClockSeqLow（對應(yīng)ClockSequence的7-0位）；

o 設(shè)置Node（對應(yīng)48位MAC地址）。

o 基于名稱的UUID生成算法

o 針對相應(yīng)的命名空間（如DNS、URL、OID等）分配一個UUID作為所有UUID的命名空間標識；

o 將名稱轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)列；

o 使用MD5或SHA-1算法對與名稱關(guān)聯(lián)的命名空間標識進行計算，產(chǎn)生16字節(jié)哈希結(jié)果；

o 設(shè)置TimeLow（對應(yīng)哈希值的3-0字節(jié)）；

o 設(shè)置TimeMid（對應(yīng)哈希值的5-4字節(jié)）；

o 設(shè)置VersionAndTimeHigh（對應(yīng)哈希值的7-6字節(jié)），以相應(yīng)版本號重寫對應(yīng)位（第9字節(jié)的高4位）；

o 設(shè)置VariantAndClockSeqHigh（對應(yīng)哈希值的第8字節(jié)），重寫變體對應(yīng)位（第7字節(jié)的高2位，本標準對應(yīng)值為10）；

o 設(shè)置ClockSeqLow（對應(yīng)哈希值的第9字節(jié)）；

o 設(shè)置Node（對應(yīng)哈希值的15-10字節(jié)）。

由 于MD5碰撞問題，MD5只用于向后兼容的UUID生成，不再被推薦使用。由于SHA-1哈希結(jié)果為160位（20字節(jié)），本算法中，需要將FIPS PUB 180-2中的SHA-1算法的哈希值字節(jié)順序反轉(zhuǎn)（字節(jié)內(nèi)順序不變），UUID使用其15-0字節(jié)，19-16字節(jié)被丟棄。

o 基于隨機數(shù)的UUID生成算法

o 設(shè)置VariantAndClockSeqHigh的變體位值為10；

o 設(shè)置VersionAndTimeHigh的4位版本號；

o 設(shè)置剩余位為隨機值。

本文中討論的密碼學(xué)隨機數(shù)，主要根據(jù)系統(tǒng)可以提供的信息（內(nèi)存、硬盤、句柄、程序運行的線程、進程、句柄、堆棧等），利用SHA-1等哈希算法得到。

其他關(guān)于密碼學(xué)隨機數(shù)的描述，我曾在這篇文章中簡單提到。