分布式系统唯一ID设计

1 概述

2 分布式唯一ID特点

3 分布式唯一ID传统方案

3.1 UUID

3.2 数据库生成

3.3 Redis生成ID

3.4 利用zookeeper生成唯一ID

3.5 snowflake（雪花算法）方案

1 概述

在复杂分布式系统中，往往需要对大量的数据和消息进行唯一标识。如在金融、电商、支付、等产品的系统中，数据日渐增长，对数据分库分表后需要有一个唯一ID来标识一条数据或消息，数据库的自增ID显然不能满足需求，此时一个能够生成全局唯一ID的系统是非常必要的。

2 分布式唯一ID特点

全局唯一性：不能出现重复的ID号，既然是唯一标识，这是最基本的要求。
趋势递增：在MySQL InnoDB引擎中使用的是聚集索引，由于多数RDBMS使用B-tree的数据结构来存储索引数据，在主键的选择上面我们应该尽量使用有序的主键保证写入性能
单调递增：保证下一个ID一定大于上一个ID，例如事务版本号、IM增量消息、排序等特殊需求。
运行效率：ID简短，查询效率快
信息安全：如果ID是连续的，恶意用户的扒取工作就非常容易做了，直接按照顺序下载指定URL即可；如果是订单号就更危险了，竞对可以直接知道我们一天的单量。所以在一些应用场景下，会需要ID无规则、不规则。

3 分布式唯一ID传统方案

3.1 UUID

UUID(Universally Unique Identifier)的标准型式包含32个16进制数字，以连字号分为五段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，示例：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000，到目前为止业界一共有5种方式生成UUID，详情见IETF发布的UUID规范 A Universally Unique IDentifier (UUID) URN Namespace。

优点：

代码实现简单。
本机生成，没有性能问题
因为是全球唯一的ID，所以迁移数据容易

缺点：

不易于存储：UUID太长，16字节128位，通常以36长度的字符串表示，很多场景不适用。
信息不安全：基于MAC地址生成UUID的算法可能会造成MAC地址泄露，这个漏洞曾被用于寻找梅丽莎病毒的制作者位置。
每次生成的ID是无序的，无法保证趋势递增

3.2 数据库生成

这个方案就是利用了MySQL的主键自增auto_increment，默认每次ID加1。

优点：

数字化，id递增
查询效率高
具有一定的业务可读

缺点：

存在单点问题，如果mysql挂了，就没法生成iD了
数据库压力大，高并发抗不住

3.3 Redis生成ID

利用redis的incr原子性操作自增，比较适合使用Redis来生成每天从0开始的流水号。比如订单号=日期+当日自增长号。

优点：

不依赖于数据库，灵活方便，且性能优于数据库。
数字ID天然排序，对分页或者需要排序的结果很有帮助。

缺点：

如果系统中没有Redis，还需要引入新的组件，增加系统复杂度。
需要编码和配置的工作量比较大。

3.4 利用zookeeper生成唯一ID

zookeeper主要通过其znode数据版本来生成序列号，可以生成32位和64位的数据版本号，客户端可以使用这个版本号来作为唯一的序列号。

很少会使用zookeeper来生成唯一ID。主要是由于需要依赖zookeeper，并且是多步调用API，如果在竞争较大的情况下，需要考虑使用分布式锁。因此，性能在高并发的分布式环境下，也不甚理想。

3.5 snowflake（雪花算法）方案

这种方案大致来说是一种以划分命名空间（UUID也算，由于比较常见，所以单独分析）来生成ID的一种算法，这种方案把64-bit分别划分成多段，分开来标示机器、时间等，比如在snowflake中的64-bit分别表示如下图所示：

41-bit的时间可以表示（1L<<41）/(1000L*3600*24*365)=69年的时间，10-bit机器可以分别表示1024台机器。如果我们对IDC划分有需求，还可以将10-bit分5-bit给IDC，分5-bit给工作机器。这样就可以表示32个IDC，每个IDC下可以有32台机器，可以根据自身需求定义。12个自增序列号可以表示2^12个ID，理论上snowflake方案的QPS约为409.6w/s，这种分配方式可以保证在任何一个IDC的任何一台机器在任意毫秒内生成的ID都是不同的。

优点：

毫秒数在高位，自增序列在低位，整个ID都是趋势递增的。
不依赖数据库等第三方系统，以服务的方式部署，稳定性更高，生成ID的性能也是非常高的。
可以根据自身业务特性分配bit位，非常灵活。

缺点：

强依赖机器时钟，如果机器上时钟回拨，会导致发号重复或者服务会处于不可用状态

参考：

1、通俗易懂：如何设计能支撑百万并发的数据库架构？

2、Leaf——美团点评分布式ID生成系统