RFC 9114: HTTP/3 QPACKヘッダー圧縮の詳細解説

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本記事はGeminiの出力をプロンプト工学で整理した業務ドラフト（未検証）です。

RFC 9114: HTTP/3 QPACKヘッダー圧縮の詳細解説

背景

HTTP/2では、ヘッダー圧縮にHPACK（RFC 7541）が採用されました。HPACKは静的テーブルと動的テーブルを用いてヘッダーフィールドの繰り返しを効率的に圧縮し、HTTP通信のオーバーヘッドを削減しました。しかし、HTTP/2は複数の論理ストリームを単一のTCP接続上で多重化する設計であったため、HPACKの動的テーブル更新がヘッドオブライン（HOL）ブロッキングの問題を引き起こす可能性がありました。動的テーブルの更新は順序保証が必要であり、あるストリームの動的テーブル更新が失われたり遅延したりすると、それに依存する他のすべてのストリームのヘッダーデコードがブロックされる恐れがありました。

HTTP/3では、基盤となるトランスポートプロトコルとしてQUIC（RFC 9000）が採用されました。QUICはストリームレベルでのHOLブロッキングを解決しますが、ヘッダー圧縮レイヤーでのHOLブロッキングは依然として課題として残りました。この問題を解決し、QUICの利点を最大限に活かすために、新しいヘッダー圧縮フォーマットであるQPACKがRFC 9114にて定義されました。

設計目標

RFC 9114で定義されるQPACKは、主に以下の設計目標を掲げています。

  1. HOLブロッキングの回避: HTTP/2のHPACKが抱えていた、動的テーブル更新によるヘッダーデコードのHOLブロッキングを回避する。これにより、QUICの提供するストリーム多重化の恩恵を最大限に活用し、個々のHTTP/3ストリームの独立した処理を可能にする。

  2. 圧縮効率の維持: HPACKと同等以上の圧縮効率を維持する。ヘッダーの繰り返しが多いHTTPトラフィックにおいて、ペイロードサイズを最小限に抑えることは依然として重要である。

  3. 実装の簡素化: 動的テーブルの同期機構は複雑になりがちだが、可能な限り実装を簡素化する。特に、デコーダ側での動的テーブルの追跡とエラー回復を考慮する。

  4. 順序保証の緩和: 動的テーブルへの追加とヘッダーブロックのエンコーディングを分離し、ヘッダーブロックのデコードが動的テーブルの更新完了を待たずに（一部）進行できるようにするメカニズムを提供する。

詳細

QPACKは、HPACKと同様に静的テーブルと動的テーブルを使用してヘッダーを圧縮しますが、その動作原理はHOLブロッキング回避のために大きく変更されています。

QPACKの基本原理

  • 静的テーブル: HPACKと同じく、よく知られたヘッダーフィールドのリスト（約99エントリ）を事前に定義し、短いインデックスで参照します。

  • 動的テーブル: 送信側と受信側で共有され、セッション中に動的に追加されるヘッダーフィールドを格納します。HPACKとの最大の違いは、QPACKでは動的テーブルへの更新とヘッダーブロックのエンコードが異なるストリームで行われ、それぞれ独立して進められる点です。

エンコーダとデコーダの役割

QPACKエンコーダ (送信側):

  1. HTTPヘッダーフィールドを受け取り、静的テーブル、動的テーブル、またはリテラル値としてエンコードします。

  2. 動的テーブルに新しいエントリを追加する場合、その更新をエンコーダ命令ストリーム (Encoder Instruction Stream) を介して送信します。

  3. エンコードされたヘッダーブロックは、HTTP/3リクエスト/レスポンスストリームの一部として送信されます。このヘッダーブロックには、デコーダがデコードのために必要とする動的テーブルの最小状態を示す「Required Insert Count (RIC)」と「Base」値が含まれます。

QPACKデコーダ (受信側):

  1. HTTP/3ストリームからヘッダーブロックを受け取ります。

  2. エンコーダ命令ストリームから動的テーブル更新命令を受け取ります。

  3. ヘッダーブロックに含まれるRICとBase値を確認し、デコードに必要な動的テーブルの状態が揃っているか判断します。もし状態が不十分であれば、動的テーブル更新が到着するまでそのヘッダーブロックのデコードを遅延させることができます（ただし、この遅延はHPACKのHOLブロッキングよりも限定的かつ制御可能です）。

  4. デコードが成功したら、デコーダ命令ストリーム (Decoder Instruction Stream) を通じてエンコーダに、ヘッダーブロックの受信確認や動的テーブル更新の確認を通知します。これにより、エンコーダは自身の動的テーブル状態を管理し、圧縮効率を最大化できます。

QPACKのストリーム

QPACKは、HTTP/3ストリームとは別に、QPACK専用の2つの単方向ストリームを使用します。

  1. Encoder Instruction Stream (EIS): クライアントからサーバーへ、またはサーバーからクライアントへ（双方向性）、動的テーブル更新命令を伝達します。

  2. Decoder Instruction Stream (DIS): EISとは逆方向に、デコーダからの確認応答（Acknowledged Header Block、Stream Cancellation、Dynamic Table Blocked）を伝達します。

ヘッダーブロック自体は、通常のHTTP/3リクエスト/レスポンスストリーム上で多重化されて送信されます。

ヘッダーフィールドの表現形式

QPACKヘッダーブロックは、複数のフィールド表現の組み合わせで構成されます。フィールドの表現は、それが静的テーブル、動的テーブルのどこを参照するか、またはリテラル値であるかによって異なります。

QPACK Header Block Prefix:
  Required Insert Count (RIC): variable length integer (0-63 for small, up to 2^62-1)
  Sign bit: 1 bit (0 for positive base, 1 for negative base)
  Base: variable length integer (0-127 for small, up to 2^62-1)

Header Field Representations (inside Header Block, common examples):
  Indexed Field Line (Static Table):
    1xxxxxxx (0x80): 1 bit (1), 7 bits (Static Table Index)
  Indexed Field Line (Dynamic Table with Post-Base Index):
    01xxxxxx (0x40): 1 bit (0), 1 bit (1 for Dynamic Table), 6 bits (Post-Base Index)
  Literal Field Line with Name Reference (Static Table):
    001xxxxx (0x20): 1 bit (0), 1 bit (0), 1 bit (1 for Name Reference), 1 bit (0 for Static Table), 4 bits (Static Table Index) or variable length
    Value: variable length (with optional Huffman encoding)
  Literal Field Line with Literal Name:
    0001xxxx (0x10): 1 bit (0), 1 bit (0), 1 bit (0 for no Name Reference), 1 bit (1 for Literal Name), 4 bits (not used) or variable length
    Name: variable length (with optional Huffman encoding)
    Value: variable length (with optional Huffman encoding)

QPACK処理フロー

QPACKエンコーダ/デコーダの処理フローは以下の通りです。

flowchart TD
    APP_OUT["HTTP/3 Application"] -->|Headers| ENC_IN["QPACK Encoder Input"];
    ENC_IN --> ENC_PROC["QPACK Encoder Process"];
    ENC_PROC -->|Header Block("with RIC")| HBS["Header Block Stream"];
    ENC_PROC -->|Dynamic Table Updates| EIS["Encoder Instruction Stream"];

    HBS -->|QUIC transport| QUIC_TX["QUIC Send"];
    EIS -->|QUIC transport| QUIC_TX;

    QUIC_RX["QUIC Receive"] -->|Header Block| HBS_RX["Header Block Stream (RX)"];
    QUIC_RX -->|Encoder Instructions| EIS_RX["Encoder Instruction Stream (RX)"];
    QUIC_RX -->|Decoder Instructions| DIS_RX["Decoder Instruction Stream (RX)"];

    HBS_RX --> DEC_PROC["QPACK Decoder Process"];
    EIS_RX --> DEC_PROC;
    DIS_RX --> ENC_PROC;

    DEC_PROC -->|Required Insert Count Check| RIC_CHECK{"RIC WAIT_DT["Wait for Dynamic Table Entries"];
    EIS_RX --> WAIT_DT;
    RIC_CHECK -- Yes --> DEC_HD["Decode Header Fields"];
    DEC_HD -->|Decoded Headers| APP_IN["HTTP/3 Application"];

    DEC_PROC -->|ACK Header Block| DIS["Decoder Instruction Stream"];
    DEC_PROC -->|ACK Dynamic Table Updates| DIS;

    DIS -->|QUIC transport| QUIC_TX;

QPACKと0-RTTハンドシェイク

QPACKはHTTP/3の0-RTT (Zero Round-Trip Time) 機能と連携します。0-RTTは過去の接続情報を使って初回パケットでデータを送信できる機能ですが、QAPCKの動的テーブルの状態を適切に同期する必要があります。

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Client ->> Server: QUIC 0-RTT Handshake Attempt
    Client ->> Server: HTTP/3 Stream A (Request Header Block [RIC=0], potentially using cached QPACK dynamic table state)
    alt 0-RTT Successful & QPACK State Matches
        Server ->> Client: HTTP/3 Stream A Response (Header Block)
        Server ->> Client: QUIC 1-RTT Handshake Completion
    else 0-RTT Fails or QPACK State Mismatch
        Server ->> Client: QUIC REJECT 0-RTT / Handshake Challenge
        Client ->> Server: QUIC 1-RTT Handshake Completion (re-sending Stream A or new request)
        Note over Client,Server: If 0-RTT is rejected, QPACK state used in 0-RTT request is invalid.
    end
    Client ->> Server: QPACK Encoder Instruction (Add "Auth: TokenXYZ")
    Client ->> Server: HTTP/3 Stream B (Request Header Block [RIC=1], referencing new entry)
    Server ->> Client: QPACK Decoder Instruction (ACK "Auth: TokenXYZ" insertion)
    Server ->> Client: HTTP/3 Stream B Response (Header Block)
    Note over Client,Server: QPACK's RIC allows Header Blocks to be processed even if dynamic table updates are pending.

相互運用

QPACKはHTTP/3専用のヘッダー圧縮フォーマットであり、HTTP/2のHPACKとは直接の互換性はありません。

  • HTTP/2 (HPACK):

    • 単一のTCP接続上で多重化されるストリーム。

    • 動的テーブルの更新は、すべてのストリームに影響を及ぼし、順序保証が必要なためHOLブロッキングの原因となる。

    • エンコーダは、送信されたすべての動的テーブルエントリがデコーダによって受信されたと仮定してエンコードする。

    • HPACKはHTTP/2の必須機能。

  • HTTP/3 (QPACK):

    • QUIC接続上で多重化されるストリーム。QUIC自体がストリームレベルでのHOLブロッキングを解決。

    • 動的テーブルの更新とヘッダーブロックのエンコードが分離され、異なるストリームで送信される。デコーダ側でRICとBase値を用いて動的テーブルの状態を管理し、HOLブロッキングを緩和する。

    • エンコーダは、デコーダからの確認応答（Decoder Instruction Stream）に基づいて自身の動的テーブル状態を管理する。

    • QPACKはHTTP/3の必須機能。

QPACKの分離された命令ストリームとRICの導入により、ヘッダー圧縮レイヤーでのHOLブロッキングが効果的に緩和され、HTTP/3のパフォーマンス向上に貢献します。

セキュリティ考慮

QPACK自体が直接的なセキュリティ脆弱性を導入するわけではありませんが、ヘッダー圧縮プロトコルとして、いくつかのセキュリティ考慮事項が存在します。

  • リプレイ攻撃とダウングレード攻撃: これらの攻撃は主にHTTP/3の基盤であるQUIC層によって保護されます。QUICはTLS 1.3を必須とし、接続確立時のハンドシェイクで暗号化と認証を提供します。0-RTTについても、QUICのハンドシェイクプロトコル（RFC 9000）でリプレイ攻撃対策が講じられています。

  • 0-RTTの再送リスク: QPACKの動的テーブルは、0-RTTデータ送信時に過去の接続状態を利用する可能性があります。もしクライアントが古い動的テーブル状態を参照してヘッダーブロックを送信し、サーバー側でその状態が一致しない場合、デコードに失敗する可能性があります。RFC 9114では、サーバーはクライアントが最後に確認した動的テーブルの最小インサート数を追跡し、これに基づいて0-RTTリクエストを検証することを推奨しています。これにより、無効な0-RTTデータによるリソース消費を最小限に抑えます。

  • サイドチャネル攻撃: HPACKと同様に、ヘッダー圧縮のメカニズム自体が、特定のヘッダーフィールドの存在や値に関する情報を攻撃者に漏洩させる可能性があります。例えば、秘密情報を含むヘッダーが繰り返し送信されることで、圧縮率の変化からその情報が推測されるリスクがあります。これは、機密情報を常にリテラル値として送信したり、キャッシュを無効化したりすることで緩和できます。

  • リソース枯渇攻撃: 攻撃者が過度に大きな動的テーブルエントリを繰り返し挿入しようとすることで、サーバーのリソース（メモリ）を枯渇させる可能性があります。QPACKの実装は、動的テーブルの最大サイズを制限し、不正なエントリ追加要求を適切に処理する必要があります。

実装メモ

QPACKの実装は、HPACKよりも複雑な動的テーブル管理とストリームの連携が必要となります。

  • MTU / Path MTU Discovery: QPACKはヘッダー圧縮フォーマットであり、直接MTUを扱うわけではありません。しかし、HTTP/3はQUIC上で動作し、QUICは自身のパケットサイズをPath MTU Discovery (PMTUD) によって調整します。効率的なヘッダー圧縮は、PMTUDによって見つけられたMTU内でより多くのデータを送信するために重要です。QPACKエンコーダは、ヘッダーブロックが単一のQUICパケットに収まるように努めるべきです。

  • HOL Blocking回避メカニズム: QPACKのHOLブロッキング回避は、デコーダがヘッダーブロックを受け取った際にRequired Insert Count (RIC)をチェックすることで実現されます。RICが現在の動的テーブルの挿入数よりも大きい場合、デコーダはそのヘッダーブロックのデコードを一時的にブロックし、必要な動的テーブルエントリがエンコーダ命令ストリームを介して到着するのを待ちます。ただし、このブロックは特定のヘッダーブロックに限定され、HPACKのようにすべての後続ストリームをブロックするわけではありません。デコーダは、未処理のヘッダーブロックをキューに入れ、RICが満たされたときに順次処理する必要があります。

  • キュー制御と優先度: HTTP/3はQUICのストリーム優先度メカニズムを利用して、アプリケーション層でのトラフィック優先度を管理します。QPACK自体は優先度制御を行いませんが、効率的なヘッダー圧縮は、特に高優先度ストリームにおいて、ヘッダーの送信にかかる時間を短縮し、待ち時間を削減する効果があります。実装は、QPACK命令ストリームとデータストリームの間で適切なバッファリングとキュー管理を行う必要があります。

  • 動的テーブル管理: エンコーダとデコーダの両方で、動的テーブルの状態を正確に同期させることが極めて重要です。エンコーダはデコーダ命令ストリームからの確認応答（ACK）を利用して、デコーダがどの動的テーブルエントリを正常に受信したかを把握し、それに基づいて安全に新しいエントリを参照できます。デコーダは、未確認の動的テーブル更新や、ヘッダーブロックのデコードに必要な動的テーブルの状態を適切に追跡する必要があります。

まとめ

RFC 9114で定義されたQPACKは、HTTP/3におけるヘッダー圧縮の標準プロトコルです。HTTP/2のHPACKが抱えていたHOLブロッキングの問題を、動的テーブル更新とヘッダーブロックの送信を分離し、Required Insert Count (RIC) と Base 値を導入することで効果的に解決しました。これにより、HTTP/3はQUICのストリーム多重化の恩恵をヘッダー圧縮レイヤーでも最大限に活用し、高いパフォーマンスと低遅延を実現します。QPACKの実装には、動的テーブルの厳密な同期と、専用のエンコーダ/デコーダ命令ストリームの適切な管理が求められますが、その複雑さを上回る形で、次世代のWebプロトコルの効率向上に貢献しています。

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