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通用唯一辨識碼

電腦用來識別的128位數字

通用唯一辨識碼（英語：Universally Unique Identifier，縮寫：UUID）是用於電腦體系中以辨識資訊的一個128位元識別碼。

UUID按照標準方法生成時，在實際應用中具有唯一性，且不依賴中央機構的註冊和分配。UUID重複的概率接近零，可以忽略不計[1][2]。

因此，所有人都可以自行建立和使用UUID，而且幾乎可以確定其不會與既有的識別碼重複。也因為如此，在不同地方產生的UUID可以使用於同一個資料庫或同一個頻道中，而且幾乎不可能重複。

UUID的應用相當普遍，許多計算平台都提供了對於生成和解析UUID的支援。

歷史

1990年代， UUID 原本是用於阿波羅電腦的網路計算系統，後被用於開放軟體基金會的分散式運算環境。分散式運算環境UUID的初始設計基於網路計算系統UUID，其設計受 Domain/OS 中定義和使用的（64位元）唯一識別碼的啟發，這是一個也由 阿波羅電腦 設計的作業系統。後來，微軟視窗平台採用分散式運算環境設計作為全域唯一識別碼（GUID）。

2005年7月，RFC 4122 為 UUID 註冊了一個 URN 命名空間，並制定了早期的規範。當 RFC 4122 作為網際網路工程任務組標準發布時，國際電信聯盟基於先前的標準和 RFC 4122 早期版本標準化了 UUID。

標準

UUID 由開放軟體基金會標準化，作為分散式運算環境（DCE）的一部分[3][4]。

UUID 被紀錄為 ISO/IEC 11578:1996 "Information technology – Open Systems Interconnection – Remote Procedure Call（RPC）" 和後來的 ITU-T Rec. X.667 | ISO / IEC 9834-8：2005 規範的一部份[5]。

網際網路工程任務組公布了標準 RFC 4122[6]，技術上等同於 ITU-T Rec. X.667 | ISO/IEC 9834-8。

格式

在其規範的文字表示中，UUID 的 16 個 8 位位元組表示為 32 個十六進制數字，由連字元 '-' 分隔成五組顯示，形式為「8-4-4-4-12」總共 36 個字元（32 個十六進制數字和 4 個連字元）。

例如：

123e4567-e89b-12d3-a456-426655440000
xxxxxxxx-xxxx-Mxxx-Nxxx-xxxxxxxxxxxx

四位數字 M表示 UUID 版本，數字 N的一至三個最高有效位表示 UUID 變體。在例子中，M 是 1 而且 N 是 a（10xx2），這意味著此 UUID 是「變體1」、「版本1」UUID；即基於時間的 DCE/RFC 4122 UUID。

規範的 `8-4-4-4-12` 格式字串基於 UUID 的16個位元組的「記錄布局」：

UUID 記錄結構
名稱 長度 （位元組） 長度（16進制數字碼長） 說明
time_low 4 8 整數：低位 32 bits 時間
time_mid 2 4 整數：中間位 16 bits 時間
time_hi_and_version 2 4 最高有效位中的 4 bits「版本」，後面是高 12 bits 的時間
clock_seq_hi_and_res clock_seq_low 2 4 最高有效位為 1-3 bits「變體」，後跟13-15 bits 時鐘序列
node 6 12 48 bits 節點 ID

這些欄位對應於「版本1」和「版本2」（基於時間的）UUID中的欄位，但是「8-4-4-4-12」的表示適用於所有UUID，即使對於生成方式不同的UUID也是如此。

RFC 4122 第 3 節要求以小寫形式生成字元，同時對輸入不區分大小寫，儘管一些常用的實現違反了此規則。

Microsoft GUID有時會以大括號表示：

{123e4567-e89b-12d3-a456-426655440000}

不應將此格式與「Windows登錄檔格式」相混淆，後者指的是大括號內的格式。

RFC 4122為UUID定義了統一資源名稱（URN）命名空間。作為URN呈現的UUID如下：

urn:uuid:123e4567-e89b-12d3-a456-426655440000

編碼

UUID 的二進制編碼因系統而異。UUID的變體1是目前世界最常見的UUID，完全以大端序（big-endian）二進制儲存與傳輸 UUID 。

例如，00112233-4455-6677-8899-aabbccddeeff 編碼為位元組 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff。

其他系統，特別是 Microsoft 在其 COM/OLE 庫中對 UUID 的字串表示，使用混合端格式，其中 UUID 的前三組是小端序/小尾序（little-endian），後兩組是 大端序/大尾序（big-endian）。

例如，00112233-4455-6677-8899-aabbccddeeff 編碼為位元組 33 22 11 00 55 44 77 66 88 99 aa bb cc dd ee ff。

變體

UUID的變體（variant）欄位，占1到3位元。RFC 4122定義了4種變體：

  • 變體 0 (最顯著位為0，二進制為0xxx2，十六進制表示為016到716) 用於向下相容已經過時的1988年開發的 Apollo 網路計算系統（NCS）1.5 UUID 格式。 前6位元組是48位元時間戳（從1980年1月1日UTC開始的4微秒的滴答數），隨後2個位元組保留，再1個位元組是位址族（address family，使用了0..13個情形），最後7個位元組是主機ID。這類似於UUID的版本1.[7]
  • 變體 1 (二進制為10xx2，十六進制為816到b16)，定義在RFC 4122/DCE 1.1 UUIDs, 或"Leach–Salz" UUID。它是按照大端序作為二進制儲存與傳輸。
  • 變體 2 (二進制為110x2，十六進制為c16或d16)，RFC稱「保留，微軟公司向下相容」。早期的Microsoft Windows平台的GUID使用該格式。和完全使用大端序的變體 1 不同，變體 2 其中一部份按照小端序作為二進制儲存與傳輸。
  • 形如111x2保留未使用。

目前的UUID規範使用變體1和2。在文字表示上，兩種變體只有代表變體的位元不同[6]。上面的欄位也定義了兩種變體之間的位元組轉換。前三個欄位是無正負號的32和16位元數字，需要進行轉換，而後兩個欄位是由未解釋的位元組組成，不需要進行轉換。這種轉換同樣適用於版本3、4和5，其中的規範欄位與UUID的內容無關[6]。

雖然一些重要的GUID名義上是變體2的UUID，例如元件對象模型（Component Object Model）IUnknown介面的識別碼，但是在微軟Windows軟體中所生成和使用的、被稱為「GUID」的許多識別碼是使用標準的變體1的RFC 4122/DCE 1.1大端序UUID。目前，Microsoft guidgen工具軟體產生變體1的結果。某些微軟文件[8]稱GUID與UUID是同義詞，如同RFC 4122中表示UUID「也被稱作GUID」。這些檔案表明了雖然「GUID」最初指代微軟所使用的其中一種UUID變體，但現在已經成為UUID的另一個名稱，含括變體1和2。

版本

對於「變體（variants）1」和「變體2」，標準中定義了五個版本（versions），並且在特定用例中某些版本可能比其他版本更合適。

版本由字串中的 M 指示。

版本1的UUID是根據時間和節點ID（通常是MAC位址）生成；版本2的UUID是根據識別碼（通常是組或使用者ID）、時間和節點ID生成；版本3、版本5透過對命名空間（namespace）識別碼和名稱進行雜湊生成確定性的UUID；版本4的UUID則使用隨機性或偽隨機性生成。

Nil UUID

Nil UUID是一個特例，值為 00000000-0000-0000-0000-000000000000 ；也就是說，所有位都設定為 0。

版本1（日期時間和MAC位址）

版本1的UUID，是根據 60-bit 的時間戳和節點（生成UUID的電腦）的48-bit MAC位址而生成的。

時間戳的是這樣計算的：自公曆首次於天主教會和教皇國以外的地方使用的日期，也就是協調世界時（UTC）1582年10月15日午夜算起，每經過100奈秒時間戳加1。RFC 4122聲明時間值在公元3400年左右算術溢位[6]:3，取決於所使用的演算法，代表此 60-bit 時間戳是有符號數量。但是，某些軟體（如libuuid庫）將時間戳視為無符號，把溢位時間推遲至公元5236年[9]。ITU-T Rec. X.667所定義的溢位時間為公元3603年[10]:v。

13-bit 或 14-bit「無統一」（uniquifying）時鐘序列擴充了時間戳，以便處理處理器時鐘不能足夠快地前進的情況，或者每個節點有多個處理器和 UUID 生成器的情況。對於每個「版本1」UUID 對應於空間（節點）和時間（間隔和時鐘序列）中的單個點，兩個正確生成的「版本1」UUID 無意中相同的可能性實際上為零。由於時間和時鐘序列總共74位元，每個節點 id 可以生成  （  或 18 sextillion）個「版本1」UUID，每個節點 id 的最大平均速率為每秒 1630 億[6]。

與其他 UUID 版本相比，基於來自網卡的 MAC 位址的「版本1」和「版本2」UUID，部分依賴於由中央序號產生器構發布的識別碼，即由 IEEE 發布給網路裝置製造商的 MAC 位址的組織唯一識別碼（OUI）[11]。基於網卡MAC位址的「版本1」和「版本2」UUID 的唯一性還取決於網卡製造商正確地為其卡分配唯一的MAC位址，這與其他製造過程一樣容易出錯。此外，某些作業系統允許終端使用者自訂MAC位址，例如OpenWRT[12]。

使用節點的網路MAC位址作為節點ID，代表可以透過版本1的UUID逆向找到建立它的電腦。透過在檔案中嵌入UUID，可以實現追蹤到建立或修改這些檔案的計算機。在定位 Melissa 病毒的建立者時就使用了這個隱私漏洞[13]。

如果節點沒有或不希望暴露MAC位址，RFC 4122 確實允許「版本1」（或2）UUID 中的 MAC 位址被隨機的48位元節點ID替換。在這種情況下，RFC要求節點ID的第一個八位位元組的最低有效位應設定為1[6]，這對應於MAC位址中的多播位，設定它是用於區分隨機生成節點ID的UUID和基於來自網卡的MAC位址的UUID，網卡通常具有單播MAC位址[6]。

版本2（日期時間和MAC位址，DCE安全版本）

RFC 4122 保留了版本2的UUID用於「DCE security」；但並沒有提供任何細節。因此，許多 UUID 實現省略了「版本2」。但是，「版本2」UUID 的規範由 DCE 1.1 身分驗證和安全服務規範提供[4]。

「版本2」UUID 類似於「版本1」，除了時鐘序列的最低有效8 bits 被「本地域（local domain）」號替換，並且時間戳的最低有效32 bits 由在指定本地域內有意義的整數識別碼替換。在 POSIX 系統上，本地域號 0 和 1 分別用於使用者 ID（UIDs）和組 ID（GIDs），其他本地域號用於站點定義[4]。在非 POSIX 系統上，所有本地域號都是站點定義的。

在 UUID 中包含 40 位元的域或識別碼（domain/identifier）是有代價的。一方面，40 位元允許每個節點ID有大約1兆個域或識別碼的值。另一方面，由於時鐘值被截斷為28個最高有效位，有別於版本1中的60位元，版本2的UUID中的時鐘也改成每429.49秒跳動（tick）一次，略多於7分鐘，而不是版本1中的每100奈秒；並且，版本2的時鐘序列僅有6位元，版本1中則有14位元；每7分鐘時鐘周期內，每個節點、域或識別碼只能生成64個唯一的UUID，而版本1的時鐘序列值為16,384個[14]。因此，版本2可能不適合用於以節點、域或識別碼在約7秒以上1次的速率下生成 UUID 的情況。

版本3和版本5（基於命名空間名稱）

「版本3」和「版本5」的 UUID 透過雜湊（hashing）命名空間識別碼和名稱生成。版本3使用 MD5 作為雜湊演算法，版本5則使用 SHA1[6]。

名稱空間識別碼本身就是一個 UUID。該規範提供了 UUID 用來表示命名空間為了統一資源定位符（URLs），完整域名、對象識別碼和 X.500；但任何所需的UUID都可以用作命名空間指示符。

要確定與給定命名空間和名稱對應的版本3的UUID，命名空間的 UUID 將轉換為位元組串，後面加上輸入名稱，然後用 MD5 進行雜湊，產生 128 位元。然後將六或七位替換為固定值，即 4 位元的版本號（例如「版本3」的 0011），以及 2 或 3 位元的 UUID 變體號（例如 10 代表RFC 4122的UUID，或 110 代表傳統 Microsoft GUID）。由於預定了6到7位元，因此只有121或122位元用於維持 UUID 的唯一性。

版本5的UUID 和上面類似，但使用 SHA1 而不是 MD5。由於 SHA1 生成 160 位元的摘要，因此在替換版本號和變體號之前會把摘要截斷為 128 位元。

版本3和版本5的UUID具有一個特性：相同名稱空間和名稱將對映到同一個UUID；然而，即使已知其中一項，也無法透過暴力搜尋之外的方法從UUID逆向推導出另外一項。RFC 4122 推薦使用版本5（SHA1）而不是版本3（MD5），並建議不要使用任一版本的 UUID 作為安全憑證[6]。

版本4（隨機）

版本4的UUID是隨機生成的。與其他 UUID 一樣，其中4位元用於代表「版本4」，2到3位元代表變體號（102 或 1102 分別用於變體 1 和 2）。因此，對於變體1（即大多數 UUID），隨機生成的版本4的UUID會保留6位元用於表示變體號和版本號，其餘122位元用於隨機生成，故版本4變體1的UUID共計有   或 （5.3 undecillion）個。版本4變體2的UUID（傳統GUID）則為變體1的一半，因為可用的隨機位少一個，變數消耗 3 位元。

一些偽亂數發生器缺少必要的熵來產生足夠的偽亂數。例如，使用偽亂數生成器的 WinAPI GUID 生成器已被證明可生成遵循可預測模式的 UUID。 RFC 4122 建議「在各種主機上生成 UUID 的分散式應用程式必須願意依賴所有主機上的亂數源。如果這不可行，則應使用名稱空間變體。」

衝突

當多次生成相同的 UUID 並將其分配給不同的指示對象時，就會發生衝突。對於使用來自網卡的唯一MAC位址的標準版本1和2的UUID，只有當實施與標準不同時才可能發生衝突，無論是無意還是故意。

與使用MAC位址生成的版本1和版本2相比，使用隨機生成的節點ID的版本1和版本2、基於雜湊的版本3和版本5，以及隨機生成的版本4的UUID，即使實現上沒有問題也可能發生衝突，但可能性很小，通常可以忽略。可以基於對生日問題的分析來精確地計算該概率[15]。

例如，如果要有50%的機率至少發生一次衝突，需要生成至少 個版本4的UUID，計算如下[16]：

 

這個數字相當於每秒產生 10 億個 UUID 持續 85 年。每個 UUID 長度為 16 位元組，這麼多 UUID 的檔案大小約為 45 艾位元組（EB），比目前存在的最巨量資料庫大很多倍，它們都在數百PB的數量級。

若要使發生衝突的機率為p，至少必須生成多少個版本4的UUID可由下式近似計算：

 

因此，在 103 萬億個版本4 UUID 中找到重複的概率是  （十億分之一）。

使用

檔案系統

重要用途包括 ext2/ext3/ext4 檔案系統使用者空間工具（e2fsprogs 使用 util-linux 提供的 libuuid）、LUKS 加密分割區、GNOME、KDE 和 Mac OS X，其中大部分源自 曹子德（Theodore Ts'o）的實現[9]。

Solaris 中 UUID 的一種用途（使用開放軟體基金會的實現）是辨識正在執行的作業系統實例，以便在核心崩潰的情況下將故障轉儲資料與故障管理事件配對[17]。

分割區標籤和分割區UUID都儲存於超區塊中。兩者皆為檔案系統的一部份，而不是分割區的一部份。例如，ext2-ext4包含UUID，而NTFS或FAT32則沒有。

超區塊是檔案系統的一部份，因此被完全包含在分割區中，因此如果你執行dd if=/dev/sda1 of=/dev/sdb1，sda1和sdb1都會擁有相同的標籤和UUID。

COM

Microsoft的組件對象模型（COM）中使用了幾種GUID ：

  • IID - 介面識別碼；（在系統上註冊的介面識別碼儲存在Windows登錄檔中的[HKEY_CLASSES_ROOT\Interface]）[18]
  • CLSID - 類識別碼；（儲存在[HKEY_CLASSES_ROOT\CLSID]）
  • LIBID - 類型庫識別碼；（儲存於[HKEY_CLASSES_ROOT\TypeLib]）[19]
  • CATID - 類別識別碼；（它在一個類中的存在將其辨識為屬於某些類別類別，列於[HKEY_CLASSES_ROOT\Component Categories]）[20]

作為資料庫主鍵

UUID 通常用作資料庫表中的唯一鍵。

Microsoft SQL Server 版本4 Transact-SQL 中的 NEWID 函式會返回標準隨機版本4的UUID，而 NEWSEQUENTIALID 函式返回類似於 UUID 的 128 位識別碼，這些 UUID 會依序遞增，直到下次系統重啟[21]。

另一方面，儘管名稱如此，但 Oracle Database SYS_GUID 函式不會返回標準 GUID；相反，它根據主機識別碼和行程或執行緒識別碼返回一個16位元組的 128 位 RAW 值，有點類似於 GUID[22]。

PostgreSQL 包含一個 UUID 資料類型[23]，並且可以通過使用模組中的函式生成大多數版本的UUID[24][25]。

MySQL 提供了一個 UUID 函式，它生成標準的版本1 UUID[26]。

當 UUID 用作主鍵時，版本3、4和5 UUID 的隨機性以及 版本1和2 UUID 內的欄位的排序可能會產生資料庫定位或效能問題。例如，2002年 Jimmy Nilsson 報告說，當用作主鍵的版本4 UUID 被修改為包含基於系統時間的非隨機字尾時，Microsoft SQL Server的效能顯著提高。Nilsson 承認，這種所謂的「COMB」（組合時間和GUID）方法使UUID非標準並且更有可能被複製，但 Nilsson 僅要求在應用程式中的唯一性[27]。透過重新排序和編碼版本1和版本2的UUID，將時間戳放在最前面，可以避免插入所造成的效能損失[28]。

諸如Laravel這樣的部分網路框架支援「時間戳優先」的UUID，可以將UUID有效儲存於索引資料庫中。這種UUID是版本4格式的COMB UUID，但其中前48位元組成了一個時間戳，就像版本1的UUID一樣[29][30]。其他基於COMB UUID概念的指定格式包括：

  • ULID，其拋棄了用於表示版本4的4位元，並且預設使用base32編碼[31]。
  • UUID版本6到8是三種COMB UUID格式的正式提議。

參見

參考文獻

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