Tech Learning Daily

復習：HTTP/2 が解決したのは「アプリ層」の詰まりだけ

HTTP/1.1 は 1 本の TCP 接続で一度に処理できるリクエストが実質 1 つだったため、ブラウザは同一オリジンへの接続を複数本張って並列化していた。HTTP/2 はストリームという概念を導入し、1 本の TCP 接続の中で複数のリクエスト・レスポンスを並行してやり取りできるようにした。これでアプリケーション層では、あるリクエストの応答待ちが他のリクエストをブロックしなくなった。

ただし HTTP/2 のストリームは、あくまで 1 本の TCP 接続というパイプの中に多重化されている。TCP は「送った順にバイトを届ける」ことを保証する単一の順序付きバイト列であり、途中のセグメントが 1 つ失われると、それより後ろのバイトはたとえ別のストリームに属していても、再送が届いてカーネルのバッファが埋まるまで受信側に渡されない。ストリーム A のデータしか失っていなくても、ストリーム B・C まで同じ TCP 接続に乗っている以上、道連れで止まる。これが「トランスポート層の HOL ブロッキング」だ。

QUIC はどうやってこの道連れを消したか

「TCP をやめて UDP に乗せる」と聞くと、信頼性を諦めたように思えるかもしれない。しかし実際には QUIC（RFC 9000）は UDP の上に、TCP に相当する再送・順序制御・輻輳制御を自前で実装している。違いは、その信頼性のある配送を「接続 1 本」単位ではなく「ストリームごと」に独立させたことだ。QUIC のストリームはそれぞれが独立したバイト列として扱われ、あるストリームのパケットが失われても、他のストリームは待たされずに配送され続ける。

HTTP/2 over TCP（1本の順序列）
┌───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ A │ C │ B │
└───┴───┴───┴───┴───┘
     ✕ ここでロスト
  A/B/C 全員がこの隙間で足止め

HTTP/3 over QUIC（ストリーム単位で独立）
┌───┐   ┌───┐   ┌───┐
│ A │   │ B │   │ C │
└───┘   └───┘   └───┘
 ✕ロスト   影響なし   影響なし
Aだけ再送待ち Bは継続  Cも継続

ハンドシェイクの統合と 0-RTT のトレードオフ

TCP 上に TLS を張る従来の構成では、TCP の 3 ウェイハンドシェイクで 1 RTT、その上で TLS 1.3 のハンドシェイクにさらに通常 1 RTT かかってから、ようやく最初のアプリケーションデータを送れる。QUIC はトランスポートの接続確立と TLS 1.3 のハンドシェイクを 1 つに統合しており、初回接続でもこれより少ない往復で完了する設計になっている。

さらに、以前接続したことがあるサーバーに対しては、QUIC はキャッシュした TLS セッション情報を使って最初のパケットにアプリケーションデータを乗せる 0-RTT を利用できる。ただし RFC 9000 の 5 章は「0-RTT はリプレイ攻撃に対する保護を一切提供しない」と明記している。0-RTT のパケットは通信路上でそのままコピーされて再送されても正当なリクエストと区別できないため、サーバー側は 0-RTT で送られてよいリクエストを冪等なものに限定し、そうでないと判断した場合は 425 Too Early を返して通常のハンドシェイクへのやり直しを強制する設計になっている。

QUIC は UDP の上に成り立つため、初めて訪れたクライアントはそのサーバーが対応しているかをそもそも知らない。そこで登場するのが Alt-Svc という応答ヘッダーで、HTTP/1.1 や HTTP/2 の応答に混ぜて「自分は h3 でも応答できる」とブラウザに予告する役割を持つ。

# サーバーが HTTP/3 を提供していることを HTTP/2 応答で予告する
Alt-Svc: h3=":443"

# ヘッダーを送らないと、ブラウザは QUIC が使えることを知る手段が
# なく、サーバーが対応済みでも HTTP/2 のまま通信し続ける

コネクション ID で接続を「生かし続ける」

TCP は接続を送信元 IP・送信元ポート・宛先 IP・宛先ポートの組で識別する。スマホが Wi-Fi からモバイル回線に切り替わると送信元 IP が変わるため、この組が変わってしまい、古い TCP 接続は継続できず、ハンドシェイクからやり直しになる。

QUIC は各エンドポイントが独自に選ぶコネクション ID で接続を識別する（RFC 9000 5.1 節）。IP アドレスやポートが下位層で変わっても、同じコネクション ID を名乗るパケットは同じ論理接続として扱われる。RFC 9000 の 9 章（Connection Migration）はこの仕組みを使い、クライアントがネットワークパスを切り替えても接続を維持できることを定めている。