.NET 中的 UUID(GUID) 與 ULID

先來認識一下 UUID(GUID) 與 ULID

UUID (Universally Unique Identifier)
128-bit 長的唯一標識符，通常用於生成唯一 ID
- UUID Version 1：基於時間和 MAC address
  - 結構：60 bit 代表時間戳，48 bit 代表節點（通常是 MAC address），14 bit 代表時間序列
  - 特點：基於時間和 MAC address 生成，保證 UUID 的唯一性。
  - 用途：適用於需要基於時間順序的唯一標識，如生成分佈式系統中的ID。
  - 缺點：可能會暴露生成 UUID 的機器的 MAC address 、在高並發系統中，依賴於時鐘和序列號生成，可能會導致碰撞
- UUID Version 2：DCE 安全
  - 結構：類似於版本1，但加入了區域識別符，並使用 POSIX UID/GID。
  - 特點：為 DCE（Distributed Computing Environment）設計，用於某些特定安全應用場景。
  - 用途：較少見，主要用於需要安全性加強的應用場景
  - 缺點：支持的 library 和工具較少、依賴於特定的操作系統和安全上下文，使用上有一定的局限性
- UUID Version 3：基於名稱的 MD5 雜湊
  - 結構：使用 MD5 雜湊函數，將名稱空間和名稱雜湊為 128 bit 長的 UUID。
  - 特點：對於同一名稱空間和名稱的輸入，總是會生成相同的 UUID。
  - 用途：適用於需要生成基於特定名稱的唯一標識，如生成基於 URL 的唯一 ID。
  - 缺點：使用 MD5 雜湊算法，存在碰撞風險且安全性較低、不適用於需要完全隨機的唯一標識的情況
- UUID Version 4：隨機生成 (.NET 的 GUID 即實作為 UUID Version 4)
  - 結構：122 bit 是隨機生成的，其餘 6 bit 設定為固定值以標識 UUID version 4。
  - 特點：完全隨機生成，不依賴於任何機器信息或時間戳。
  - 用途：適用於大多數需要唯一標識的情況，如 API 密鑰、交易 ID 等。
  - 缺點：不適合需要按時間順序排序的應用場景、由於索引效率低下，可能會導致資料庫出現性能瓶頸
- UUID Version 5：基於名稱的 SHA-1 雜湊
  - 結構：類似於版本 3，但使用 SHA-1 雜湊函數。
  - 特點：對於同一名稱空間和名稱的輸入，總是會生成相同的 UUID，並且相比版本 3 具有更高的雜湊強度。
  - 用途：適用於需要更高安全性的基於名稱的唯一標識。
  - 缺點：使用 SHA-1 雜湊算法，仍然存在一定的碰撞風險和安全問題（SHA-1 被認為不再安全、不適用於需要完全隨機的唯一標識的情況
- UUID Version 6、7、8 ：都是新的提案，目前尚未被廣泛使用，主要目的是改進基於時間的UUID生成方法
- UUID Version 7：(.NET 9 預計支援 UUID Version 7)
  討論可以看 Extend System.Guid with a new creation API for v7
  - 結構：
    - 時間戳（48 bit）：表示自 Unix 紀元（1970 年 1 月 1 日）以來的毫秒數，精確到毫秒。
    - 版本號（4 bit）：固定為 7，表示這是 UUID Version 7。
    - 變體位（2 bit）：用於標識 UUID 的變體，通常固定為標準的 UUID 變體。
    - 隨機數（74 bit）：由隨機數生成器產生，保證唯一性。
  - 特點：時間排序、高唯一性、無機器信息、不需要複雜的配置或依賴於特定硬件
  - 用途：適合分佈式系統與數據庫 primary key、需要按時間排序的應用場景
  - 缺點：如果時間不同步可能會導致問題、比版本 4 的純隨機數稍大，需要處理時間戳部分
ULID (Universally Unique Lexicographically Sortable Identifier)
改進的唯一標識符，為了解決 UUID（特別是 version 4）的缺點：不支持按時間排序
- 結構：
  - 48 bit 時間戳：表示自 Unix 紀元（1970 年 1 月 1 日）以來的毫秒數，可以精確到毫秒
  - 80 bit 隨機數：使用隨機數生成器生成的隨機數
- 特點：對於同一名稱空間和名稱的輸入，總是會生成相同的 UUID，並且相比版本3具有更高的雜湊強度。
- 用途：特別適合需要按時間排序且對唯一性要求高的應用場景
- 缺點：同一毫秒內生成大量 ULID，可能會導致碰撞、隨機數生成器的質量不高，可能會增加碰撞風險、在極高並發的情況下，特別是單個節點在同一毫秒內生成大量 ULID，可能會導致生成速度瓶頸

過去在系統中常使用 GUID 來當作唯一識別碼，不過因為 GUID 的隨機性讓 db 的 index 效率低下，在大型系統中會受到不小的限制，後來我們後來改用 snowflake 剛好前段時間看到 UUID and ULID in .NET: Maximizing Efficiency in Unique Identifiers 分享 UUID 與 ULID，原本才想要試試 ULID 而已，又看到 .NET 9 預計支援 UUID Version 7 (Extend System.Guid with a new creation API for v7)，所以一併整理一下 GUID、ULID 與 UUID Version 7 的特性與優缺點

基本環境說明

macOS Sonoma 14.5 (Apple M2 Pro)
OrbStack 1.6.3 (17138)
.NET SDK 8.0.101
.NET SDK 9.0.0-preview.7
JetBrains Rider 2024.1.4
NuGet packages
- Ulid 1.3.3

實際使用

GUID (UUIDv4)
```
Guid newGuid = Guid.NewGuid();
```

ULID

安裝 NuGet package
```
dotnet add package Ulid
```
產生 ULID
```
Ulid newUlid = Ulid.NewUlid();
```

GUID (UUIDv7)
.NET SDK 9.0.0-preview.7 才支援
```
Guid newGuid = Guid.CreateVersion7();
```

心得

單就規格來看，UUIDv7 與 ULID 差距不大，甚至 ULID 的隨機位更大，理論上更不易出現碰撞，不過因為 UUIDv7 是 .NET 官方支援，所以在使用上會更方便，只是目前還是 preview 版本，等待 .NET 9 正式版釋出後，再來比較實際的效能差異

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.NET 中的 UUID(GUID) 與 ULID

基本環境說明

實際使用

心得

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