HTTP/3とQUICのハンドシェイク詳解

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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。

HTTP/3とQUICのハンドシェイク詳解

背景

Web通信の基盤であるHTTPは、インターネットの進化とともにバージョンアップを重ねてきました。HTTP/1.1やHTTP/2ではTCPの上にTLSを重ねていましたが、TCPが持つHead-of-Line (HOL) Blockingの問題や、ハンドシェイクの遅延が性能上のボトルネックとなっていました。これらの課題を解決するため、Googleが提唱したQUIC (Quick UDP Internet Connections) プロトコルがIETFで標準化され、その上で動作する新しいHTTPバージョンとしてHTTP/3が登場しました。

QUICは、UDPを基盤とし、独自の信頼性、暗号化（TLS 1.3を統合）、多重化、フロー制御、輻輳制御のメカニズムを提供します。これにより、HTTP/3はHOL Blockingの回避、高速な接続確立（0-RTT含む）、コネクションマイグレーションなどのメリットを享受します。

本稿では、プロトコル実装に携わるネットワークエンジニアの視点から、HTTP/3の基盤であるQUICのハンドシェイクプロセスを、関連するRFC（RFC 9000: QUIC Transport Protocol [1], RFC 9001: Using TLS for QUIC [2], RFC 9114: HTTP/3 [3]）に基づき詳細に解説します。

設計目標

QUICとHTTP/3のハンドシェイクは、以下の主要な目標を達成するために設計されました。

  • 低遅延な接続確立: TCP+TLSの標準的な5-wayハンドシェイク（TCP 3-way + TLS 2-RTT）と比較して、QUICは1-RTTでの接続確立を可能にし、さらには0-RTTでの再開をサポートします。

  • Head-of-Line Blocking (HOL Blocking) の解消: TCP層でのHOL Blockingを回避するため、QUICは複数のストリームを独立して多重化します。パケットロスが発生しても、そのストリームのみが影響を受け、他のストリームはブロックされません。

  • 強化されたセキュリティ: TLS 1.3をプロトコルスタックに統合し、常に暗号化と認証が提供されるように設計されています。鍵更新や0-RTTのリプレイ保護も考慮されています。

  • コネクションマイグレーション: クライアントのIPアドレスやポート番号が変更されても、確立されたコネクションを維持できるメカニズムを提供します。

  • 柔軟な輻輳制御: アプリケーションや環境に応じて、異なる輻輳制御アルゴリズムを容易に切り替えられるプラグイン可能な設計を採用しています。

詳細

QUICコネクション確立（初期ハンドシェイク）

QUICのハンドシェイクは、TLS 1.3ハンドシェイクをUDP上で実行することで確立されます。TLS 1.3はQUICの暗号化と認証の基盤であり、QUICのハンドシェイクメッセージはTLS 1.3のメッセージと密接に連携しています。

1. 初期パケット交換

a. クライアント初期パケット (Initial Packet) クライアントは、ランダムに生成された宛先コネクションID (Destination Connection ID) を含むQUIC Long Header形式のInitialパケットを送信します。このパケットには、TLS 1.3の ClientHello メッセージが CRYPTO フレームとして格納され、QUICのトランスポートパラメータもTLS拡張として含まれます。

QUIC Long Header Packet (Initial)
  Header Form: 1 (Long Header)
  Version: 32 bits (e.g., 0x00000001 for QUICv1)
  Destination Connection ID Length: 8 bits
  Destination Connection ID: variable length
  Source Connection ID Length: 8 bits
  Source Connection ID: variable length
  Token Length: variable length (0 for initial ClientHello)
  Packet Number Length: 2 bits
  Packet Number: variable length
  Payload (encrypted with Initial secrets):
    CRYPTO Frame:
      Offset: variable length
      Length: variable length
      TLS 1.3 ClientHello:
        Legacy Version: 16 bits (0x0303 for TLS 1.2)
        Random: 32 bytes
        Session ID: 1 byte (empty)
        Cipher Suites: variable length
        Compression Methods: 1 byte (empty)
        Extensions: variable length
          quic_transport_parameters:
            Original Destination Connection ID: variable length
            Initial Source Connection ID: variable length
            Max Stream Data: variable length
            ... (other QUIC transport parameters)

b. サーバー応答 (Version Negotiation / Retry / Initial Packet) サーバーは ClientHello を受信し、以下のいずれかで応答します。

  • Version Negotiation Packet: クライアントが提案したQUICバージョンをサポートしない場合、サーバーはサポートするバージョンリストを含む Version Negotiation パケットを返します。クライアントはこれを見て、サポートするバージョンで再試行します。

  • Retry Packet: クライアントのソースアドレスを検証するため、サーバーは Retry パケットを返送し、クライアントに新しいトークンとサーバーが選択したコネクションIDで再接続を促します。

  • Initial Packet (ServerHello): クライアントのバージョンを受け入れ、かつソースアドレス検証が不要な場合、サーバーは自身の Initial パケットで ServerHello を返します。このパケットには、サーバーのトランスポートパラメータと、TLS 1.3の鍵交換フェーズが含まれます。

2. TLS 1.3ハンドシェイクの完了

Initial パケット交換後、両者で共有される「Initial secrets」から鍵が導出され、後続のハンドシェイクメッセージ（ServerFinished, ClientFinishedなど）はより強力な「Handshake secrets」で保護された Handshake パケットで交換されます。これにより、TLS 1.3の鍵交換と認証が完了し、1-RTTハンドシェイクが確立します。

3. 1-RTTパケットとHTTP/3設定

ハンドシェイク完了後、両者は「Application secrets」から導出された鍵で暗号化された1-RTTパケットを送受信できるようになります。この段階で、HTTP/3固有の設定（例: SETTINGS フレーム）が交換され、HTTP/3の通信が開始されます。

QUIC Short Header Packet (1-RTT)
  Header Form: 0 (Short Header)
  Key Phase: 1 bit
  Spin Bit: 1 bit
  Reserved: 2 bits
  Packet Number Length: 2 bits
  Destination Connection ID: variable length (省略可)
  Packet Number: variable length
  Payload (encrypted with Application secrets):
    HTTP/3 SETTINGS Frame:
      Type: 6 bits (0x04 for SETTINGS)
      Length: variable length
      Parameter ID: variable length (e.g., 0x01 for SETTINGS_MAX_FIELD_SECTION_SIZE)
      Parameter Value: variable length

QUIC初期ハンドシェイクのシーケンス

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server

    Client ->> Server: Initial Packet (ClientHello, Transport Parameters, Client Initial DCID)
    alt Version Negotiation
        Server -->> Client: Version Negotiation Packet (Supported Versions)
        Client ->> Server: Initial Packet (ClientHello, Transport Parameters, Client Initial DCID)
    else Stateless Retry
        Server -->> Client: Retry Packet (New Token, Server Initial SCID)
        Client ->> Server: Initial Packet (ClientHello, Transport Parameters, Token, Client Initial DCID)
    else
        Server ->> Client: Initial Packet (ServerHello, Transport Parameters, Server Initial SCID)
        Server ->> Client: Handshake Packet (EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, ServerFinished)
        Client ->> Server: Handshake Packet (Certificate, CertificateVerify, ClientFinished)
        Client ->> Server: 1-RTT Packet (HTTP/3 SETTINGS)
        Server ->> Client: 1-RTT Packet (HTTP/3 SETTINGS)
    end

    Note over Client,Server: QUIC Connection & TLS 1.3 Handshake Complete

0-RTTハンドシェイク

QUICは、以前に接続したことのあるサーバーとのセッション再開時に、0-RTT (Zero Round-Trip Time) でアプリケーションデータを送信する機能をサポートします。これはTLS 1.3の0-RTT機能を活用したもので、クライアントが暗号化されたアプリケーションデータを ClientHello と同時に送信することで、往復遅延なしにデータ転送を開始できます。

0-RTTの仕組み

  1. セッション再開情報: 以前のセッションで、サーバーはクライアントに NewSessionTicket を発行し、クライアントはこれを保存します。このチケットには、暗号化されたセッション状態や、そのセッションで合意されたトランスポートパラメータが含まれます。

  2. 0-RTT ClientHello: クライアントは、保存した NewSessionTicket を含む ClientHello を、0-RTTパケットとして送信します。このパケットには、暗号化されたHTTP/3リクエストなどのアプリケーションデータを含めることができます。

  3. サーバーの検証: サーバーは受信した NewSessionTicket を復号し、格納されているトランスポートパラメータと、クライアントから送られてきた0-RTTアプリケーションデータを検証します。検証に成功すれば、サーバーは0-RTTデータを処理し、通常のTLS 1.3ハンドシェイクを完了します。

0-RTTハンドシェイクのシーケンス

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server

    Note over Client,Server: Previous connection established and NewSessionTicket received.

    Client ->> Server: 0-RTT Packet (ClientHello, Transport Parameters, Client Application Data)
    Server ->> Client: Handshake Packet (ServerHello, EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, ServerFinished)
    Client ->> Server: Handshake Packet (Certificate, CertificateVerify, ClientFinished)
    Client ->> Server: 1-RTT Packet (Further Client Application Data)
    Server ->> Client: 1-RTT Packet (Server Application Data, HTTP/3 SETTINGS)

    Note over Client,Server: QUIC Connection & TLS 1.3 Handshake Complete (0-RTT application data already processed by server)

HTTP/3プロトコルオーバーQUIC

QUICコネクションが確立されると、HTTP/3は以下の主要な要素でその上で動作します。

  • ストリーム: HTTP/3は、リクエストやプッシュ、制御メッセージなどをQUICのストリームとして多重化します。

    • 制御ストリーム (Control Stream): HTTP/3プロトコル全体の制御メッセージ（例: SETTINGS フレーム）を交換するために使用される単方向ストリーム。

    • リクエストストリーム (Request Stream): HTTPリクエストとレスポンスを運ぶ双方向ストリーム。

    • プッシュストリーム (Push Stream): サーバープッシュに利用される単方向ストリーム。

  • SETTINGSフレーム: QUICハンドシェイク完了後、HTTP/3の特性（例: 最大ヘッダリストサイズ、QPACK動的テーブルサイズ）をネゴシエートするために SETTINGS フレームが送受信されます。これはHTTP/2と類似していますが、HTTP/3ではQUICストリーム上で直接行われます。

  • QPACK: HTTP/3のヘッダ圧縮メカニズム。HTTP/2のHPACKをベースにしており、HOL Blockingの影響を軽減するために設計されています。

既存プロトコルとの比較

HTTP/3とQUICのハンドシェイクは、HTTP/2やHTTP/1.1のそれと比較して、顕著な利点をもたらします。

  • HTTP/2 (TLS over TCP)

    • 接続確立遅延: 通常、TCPの3-wayハンドシェイク (1-RTT) に続き、TLS 1.3の1-RTTハンドシェイクが必要となるため、合計で2-RTTの遅延が発生します。TLS 1.2以前ではさらに3-4-RTTが必要でした。

    • HOL Blocking: 基盤のTCP層でパケットロスが発生した場合、そのTCPコネクション上のすべてのストリームがブロックされます。

    • コネクションマイグレーション: TCPコネクションはIPアドレスとポート番号に厳密に結合されているため、クライアントのネットワーク変更（例: Wi-Fiからモバイルデータへ）が発生すると、コネクションは切断され再確立が必要でした。

  • HTTP/3 (TLS over QUIC/UDP)

    • 接続確立遅延: QUICはTLS 1.3を統合しているため、1-RTTで暗号化されたコネクションを確立できます。セッション再開時には0-RTTでのデータ送信が可能です。

    • HOL Blockingの解消: QUICはストリーム単位で多重化と信頼性を提供するため、特定のストリームでパケットロスが発生しても、他のストリームの処理は継続され、アプリケーション層でのHOL Blockingは発生しません。

    • コネクションマイグレーション: QUICはコネクションIDによってコネクションを識別するため、クライアントのIPアドレスやポート番号が変化しても、既存のコネクションを維持し、シームレスに通信を継続できます。

セキュリティ考慮

QUICとHTTP/3のハンドシェイクは、TLS 1.3を基盤とすることで強力なセキュリティを提供しますが、同時にいくつかの重要な考慮事項があります。

  • TLS 1.3によるエンドツーエンド暗号化: QUICのすべてのデータ（ハンドシェイク情報、トランスポートパラメータ、アプリケーションデータ）は、TLS 1.3によって暗号化および認証されます。これにより、盗聴や改ざんから保護されます。フォワードシークレシーも標準で提供されます。

  • 0-RTTデータのリプレイ攻撃保護: 0-RTTデータは、リプレイ攻撃の脆弱性を持つ可能性があります。サーバーは、クライアントが以前に送信した0-RTTデータを再利用しようとした場合でも、それを検出して拒否する必要があります。QUICは、サーバーが0-RTTパケット内のトランスポートパラメータ (initial_source_connection_id など) を検証し、NewSessionTicket のライフタイムを短く設定することで、リプレイウィンドウを制限します [2, Sec 4.6.1, 8]。

  • ダウングレード攻撃からの保護: QUICのバージョンネゴシエーションメカニズムは、ダウングレード攻撃を防ぐように設計されています。古いバージョンへの強制的な切り替えを防ぐため、Version Negotiation パケットは認証されません。成功したバージョンネゴシエーションは、最終的に確立されたコネクションのTLS 1.3ハンドシェイクによって保護されます [1, Sec 5.2]。

  • キー更新: QUICは定期的に鍵を更新するメカニズム (Key Update) を提供し、長期的なコネクションのセキュリティを維持します。これにより、単一の鍵が侵害された場合の被害を限定します [1, Sec 6]。

  • アドレス検証とDoS保護: 初期ハンドシェイクの Retry パケットは、サーバーがクライアントのIPアドレスを検証するためのメカニズムを提供します。これにより、クライアントのソースIPアドレスを偽装したサービス拒否 (DoS) 攻撃のリスクを軽減します [1, Sec 8.1]。

実装メモ

QUICおよびHTTP/3プロトコルを実装する上で、特にハンドシェイクやその後の通信性能に影響を与える以下の点に注意が必要です。

  • MTU (Maximum Transmission Unit) / Path MTU Discovery (PMTUD): QUICはUDP上で動作するため、ネットワークのMTUに収まらないパケットはフラグメント化され、パケットロスにつながる可能性が高まります。QUIC実装は、PMTUDを実施して経路上のMTUを適切に把握し、パケットサイズを調整することが重要です。特にInitialパケットは、IPv6で1280バイト、IPv4で1200バイトに収まるようにする必要があります [1, Sec 14.1]。

  • HOL Blocking回避とストリーム管理: QUICはストリーム単位で多重化するため、HOL Blockingは発生しませんが、実装者は効率的なストリーム管理が求められます。各ストリームのフロー制御、バッファリング、優先度付けを適切に行うことで、アプリケーションレベルの性能を最大化できます。

  • キュー制御と輻輳制御: QUICはプラグイン可能な輻輳制御アルゴリズムをサポートします。CubicやBBRなどのアルゴリズムを適切に選択・実装し、ネットワークの混雑状況に応じてデータ送信レートを動的に調整することが重要です。また、送信キューと受信キューの管理も、パケットロスや遅延に直結するため注意が必要です。

  • 優先度 (Prioritization): HTTP/3では、PRIORITY_UPDATE フレームを用いて、クライアントがリソースの優先度をサーバーに伝えることができます。実装は、この情報に基づいてストリームの送信順序を最適化し、ユーザーエクスペリエンスを向上させる必要があります。

  • コネクションID管理: コネクションマイグレーションをサポートするため、クライアントとサーバーは複数のコネクションIDを管理し、それらを安全に交換するメカニズムを実装する必要があります。不要になったコネクションIDの破棄も重要です。

まとめ

HTTP/3とQUICのハンドシェイクは、Webプロトコルの歴史における重要な進化を示しています。TLS 1.3をUDP上で効率的に利用することで、1-RTTまたは0-RTTでの高速な接続確立を実現し、従来のTCP+TLSが抱えていたHOL Blockingの問題を克服しました。また、強力なセキュリティ機能とコネクションマイグレーション能力は、現代の多様なネットワーク環境におけるWebアプリケーションの性能と信頼性を大幅に向上させます。

プロトコル実装者としては、これらの複雑なメカニズムをRFCの仕様に厳密に準拠して実装するとともに、PMTUD、輻輳制御、ストリーム優先度付けなどの運用上の注意点を深く理解することが、高性能かつ堅牢なQUIC/HTTP/3クライアントおよびサーバーを構築する上で不可欠です。

[1] RFC 9000, QUIC Transport Protocol. IETF. May 2021. https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9000.html (最終確認日: {{jst_today}}) [2] RFC 9001, Using TLS for QUIC. IETF. May 2021. https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9001.html (最終確認日: {{jst_today}}) [3] RFC 9114, HTTP/3. IETF. June 2022. https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9114.html (最終確認日: {{jst_today}})

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