Apresentando Randflake ID: um gerador de ID aleatório distribuído, uniforme, imprevisível e único.

Considere uma situação em que precisamos gerar números aleatórios únicos de 64 bits, e partes externas não devem ser capazes de prever o número seguinte ou anterior.

Aqui, podemos gerar um valor aleatório de 8 bytes, verificar se ele já existe no banco de dados e, em seguida, armazená-lo se for único.

No entanto, este método apresenta várias desvantagens. Temos que armazenar cada número gerado em um banco de dados para garantir a unicidade. A exigência de pelo menos uma viagem de ida e volta ao banco de dados cria problemas de latência, particularmente em um ambiente distribuído onde a escalabilidade é crucial.

Para resolver esses problemas, estamos introduzindo o Randflake ID: um gerador de ID aleatório distribuído, uniforme, imprevisível e único.

Como o Randflake ID funciona?

O Randflake ID é inspirado no Snowflake ID, o mecanismo de geração de ID k-ordenado amplamente utilizado desenvolvido pela X (anteriormente twitter).

O Snowflake ID usa o timestamp atual, um ID de nó e um contador local para gerar um identificador.

Expandimos ainda mais essa abordagem para a geração de ID único aleatório e adicionamos um novo elemento de chave secreta.

A ideia central é adicionar uma camada de cifra de bloco ao gerador de ID único existente para alcançar a inviabilidade na previsão da relação entre os números.

Uma cifra de bloco é uma função criptográfica fundamental que transforma um bloco de texto simples de comprimento fixo em um bloco de texto cifrado do mesmo comprimento. Essa transformação é governada por uma chave criptográfica. A característica distintiva de uma cifra de bloco é sua reversibilidade: ela deve ser uma função um-para-um (bijetiva), garantindo que cada entrada única corresponda a uma saída única, e vice-versa. Essa propriedade é crucial para a descriptografia, permitindo que o texto simples original seja recuperado do texto cifrado quando a chave correta é aplicada.

Ao empregar uma cifra de bloco como uma função um-para-um, podemos garantir que cada entrada única produza uma saída única correspondente dentro do intervalo definido.

A estrutura e a consideração de design

Com base nesses conceitos fundamentais, vamos examinar como o Randflake ID implementa essas ideias na prática.

A estrutura do Randflake ID inclui um timestamp Unix de 30 bits com precisão de segundo, um identificador de nó de 17 bits, um contador local de 17 bits e uma cifra de bloco de 64 bits baseada no algoritmo sparx64.

Aqui estão algumas decisões de design:

• Algumas instâncias de VM no Google Cloud Platform podem sincronizar o relógio com precisão de 0,2ms, mas esse nível de precisão não está disponível na internet pública ou em outros provedores de nuvem.

• Selecionamos uma precisão de segundo porque podemos sincronizar efetivamente o relógio entre os nós apenas com resoluções de alguns milissegundos.

• O identificador de nó de 17 bits permite 131072 geradores individuais no mesmo momento, que podem ser atribuídos por processo, por núcleo, por thread.

• Em sistemas de alta taxa de transferência, o contador local de 17 bits pode ser insuficiente. Para igualar a taxa de transferência, podemos atribuir múltiplos geradores, cada um com um ID de nó distinto, para trabalhar em um único processo ou thread.

• Adotamos o sparx64 como uma cifra de bloco de 64 bits, uma cifra de bloco moderna e leve baseada em ARX.

• Os Randflake IDs oferecem rastreabilidade interna, revelando seu ID de nó de origem e timestamp apenas para aqueles que possuem a chave secreta.

• A taxa de transferência máxima teórica é de 17.179.869.184 ID/s, o que é suficiente para a maioria das aplicações em escala global.

Pseudocódigo da geração de Randflake ID

Para ilustrar ainda mais o processo de geração do Randflake ID, o seguinte pseudocódigo Python fornece uma implementação simplificada:

 1import time
 2import struct
 3from .sparx64 import Sparx64
 4
 5# Constants
 6RANDFLAKE_EPOCH_OFFSET = 1730000000  # Domingo, 27 de outubro de 2024 3:33:20 AM UTC
 7
 8# Bits allocation
 9RANDFLAKE_TIMESTAMP_BITS = 30  # 30 bits para timestamp (vida útil de 34 anos)
10RANDFLAKE_NODE_BITS = 17  # 17 bits para ID de nó (máximo de 131072 nós)
11RANDFLAKE_SEQUENCE_BITS = 17  # 17 bits para sequência (máximo de 131072 sequências)
12
13# Derived constants
14RANDFLAKE_MAX_TIMESTAMP = RANDFLAKE_EPOCH_OFFSET + (1 << RANDFLAKE_TIMESTAMP_BITS) - 1
15RANDFLAKE_MAX_NODE = (1 << RANDFLAKE_NODE_BITS) - 1
16RANDFLAKE_MAX_SEQUENCE = (1 << RANDFLAKE_SEQUENCE_BITS) - 1
17
18class Randflake:
19    def __init__(self, node_id: int, secret: bytes):
20        self.node_id = int(node_id)
21        self.sequence = int(0)
22        self.rollover = int(time.time())
23        self.sbox = Sparx64(secret)
24
25    def _new_raw(self) -> int:
26        while True:
27            now = int(time.time())
28
29            self.sequence += 1
30            sequence = self.sequence
31
32            if sequence > RANDFLAKE_MAX_SEQUENCE:
33                if now > self.rollover:
34                    self.sequence = 0
35                    self.rollover = now
36                    sequence = 0
37                else:
38                    continue
39
40            timestamp = now - RANDFLAKE_EPOCH_OFFSET
41            return (timestamp << 34) | (self.node_id << 17) | sequence
42
43    def generate(self) -> int:
44        id_raw = self._new_raw()
45        src = struct.pack("<q", id_raw)
46        dst = bytearray(8)
47        self.sbox.encrypt(dst, src)
48        return struct.unpack("<q", dst)[0]

Uma implementação pronta para produção do Randflake, apresentando um mecanismo de leasing de ID de nó, está disponível no GitHub.

Outras considerações

Nesta seção, discutiremos algumas considerações adicionais para a implementação do Randflake ID.

Coordenação de ID de nó

Sugerimos a coordenação de ID de nó baseada em leasing.

Nesta abordagem, um serviço de coordenação central atribui um ID de nó exclusivo a cada gerador.

Este ID de nó não é reatribuído durante o período de leasing para garantir a unicidade, reduzindo a necessidade de comunicação frequente com o serviço de coordenação.

O gerador que detém o leasing pode solicitar uma renovação do leasing ao serviço de coordenação se a condição de renovação for atendida.

A condição de renovação refere-se a um conjunto de critérios que devem ser satisfeitos para que o leasing seja renovado, como o gerador ainda estar ativo e necessitar do ID de nó.

O leaseholder é o atual detentor do intervalo de ID de nó.

O leasing é considerado ativo e não expirado se estiver dentro do seu período de tempo válido.

Dessa forma, podemos reduzir as idas e vindas a uma por período de renovação de leasing, minimizando a latência e melhorando a eficiência em sistemas distribuídos.

Mitigação contra falha de relógio

O serviço de leasing deve verificar a consistência do timestamp ao alocar um leasing. O tempo de início do leasing atribuído deve ser maior ou igual ao tempo de início do último leasing.

O gerador deve rejeitar a solicitação se o timestamp atual for menor que o tempo de início do leasing ou maior que o tempo de término do leasing.

Este procedimento é importante para proteger a unicidade dos IDs gerados quando o relógio retrocede. Por exemplo, se um relógio retroceder, um novo leasing poderia ser atribuído com um tempo de início anterior a um leasing atribuído anteriormente, potencialmente levando à geração de IDs duplicados. Ao rejeitar solicitações com timestamps dentro de um período de leasing existente, evitamos esse cenário e mantemos a unicidade dos IDs.

Uniformidade da distribuição de ID

Com base no histograma acima, podemos observar que a distribuição dos Randflake IDs gerados é muito uniforme. Isso sugere que a distribuição de ID pode ser usada diretamente como uma chave de sharding.

Conclusão

Neste artigo, apresentamos o Randflake, um algoritmo inovador de geração de ID que combina as vantagens do Snowflake e do Sparx64.

Esperamos que este artigo tenha fornecido uma compreensão abrangente do Randflake e sua implementação.

Você pode encontrar o código-fonte completo do Randflake no GitHub.

Se você tiver alguma dúvida ou sugestão, não hesite em entrar em contato. Também estamos procurando colaboradores para ajudar a aprimorar o Randflake e implementá-lo em outras linguagens de programação.

Estamos planejando lançar um serviço de coordenação pronto para produção para Randflake e Snowflake, que será de código aberto no GitHub. Fique atento às atualizações!