<p>本記事は<strong>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）</strong>です。</p> <h1 class="wp-block-heading">RFC 9114: HTTP/3におけるプッシュと多重化ストリームの詳細解説</h1> <h2 class="wp-block-heading">背景</h2> <p>Webの進化と共に、通信プロトコルも常に改良が重ねられてきました。HTTP/1.1はリクエストごとに新しいTCP接続を必要とするなど効率性 に課題があり、その解決策としてHTTP/2 (RFC 7540) が登場しました。HTTP/2は単一のTCP接続内で複数のHTTPストリームを多重化 し、サーバプッシュなどの機能でパフォーマンスを向上させましたが、基盤となるTCPのHead-of-Line (HOL) Blocking問題は残存しました。TCP層でパケットロスが発生すると、その影響が接続全体に及び、健全なHTTPストリームの処理まで遅延させるという課題です。</p> <p>この課題を解決するため、UDP上に構築された新しいトランスポートプロトコルQUIC (RFC 9000, RFC 9001) が開発されました。QUICは、独自の暗号化と信頼性層を持ち、トランスポート層での多重化を実現します。そして、このQUICの上に構築されたのが次世代のHTTPプロトコル、HTTP/3 (RFC 9114) です。HTTP/3は、HTTP/2の利点を引き継ぎつつ、QUICの能力を最大限に活用し、より堅牢で高速なWeb通信を目指します。</p> <h2 class="wp-block-heading">設計目標</h2> <p>HTTP/3の主要な設計目標は以下の通りです。</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>HOL Blockingの完全な回避</strong>: HTTP/2がTCP上で抱えていたHOL Blockingを、QUICのストリーム独立性によってトランスポート層で解決します。これにより、個々のストリームがパケットロスから独立し、全体のパフォーマンスへの影響が最小限に抑えられます。</p></li> <li><p><strong>高速な接続確立</strong>: QUICはTLS 1.3ハンドシェイクを組み込んでおり、初回接続は1-RTT（ラウンドトリップタイム）で確立可能です。さらに、前回の接続情報を利用できる場合は0-RTTで接続を再開し、アプリケーションデータの即時送信を可能にすることで、レイテンシを大幅に削減します。</p></li> <li><p><strong>改善されたサーバプッシュ</strong>: HTTP/2のサーバプッシュにおけるいくつかの運用上の課題（クライアントによる制御不足など）を考慮し、より制御可能で効率的なプッシュメカニズムをHTTP/3に導入します。</p></li> <li><p><strong>効率的なヘッダ圧縮</strong>: HTTP/2のHPACKに代わり、QPACK (RFC 9204) を採用。ヘッダ圧縮におけるHTTP層でのHOL Blockingリスクを低減し、QUICの多重化の利点をHTTP層でも活かします。</p></li> </ul> <h2 class="wp-block-heading">詳細</h2> <h3 class="wp-block-heading">HTTP/3のストリーム多重化</h3> <p>QUICは、単一の接続内で複数の独立したストリームをサポートします。これにより、1つのストリームでパケットロスが発生しても、他のストリームには影響せず、アプリケーションデータを継続して送信できます。RFC 9114 (2022年6月発行) は、以下の4つの主要なHTTP/3ストリームタイプを定義しています (Section 6.1):</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>Control Stream</strong>: HTTP/3接続全体の制御メッセージ（SETTINGS、GOAWAYなど）を伝送する単方向ストリームです。</p></li> <li><p><strong>Request Stream</strong>: クライアントからのリクエストとサーバからのレスポンスを伝送する双方向ストリームです。HTTP/2と同様に、複数のリクエスト/レスポンスがこのストリーム上で並行して処理されます。</p></li> <li><p><strong>Push Stream</strong>: サーバがプッシュしたリソースのレスポンスを伝送する単方向ストリームです。</p></li> <li><p><strong>QPACK Encoder/Decoder Streams</strong>: QPACKヘッダ圧縮で使用される動的テーブルの状態更新を伝送するための単方向ストリームです。</p></li> </ul> <div class="wp-block-merpress-mermaidjs diagram-source-mermaid"><pre class="mermaid"> flowchart TD subgraph Client C_APP["Client Application"] --> C_HTTP3["HTTP/3 Layer"] C_HTTP3 --> C_QUIC["QUIC Layer"] C_QUIC --> C_UDP["UDP Layer"] end subgraph Server S_UDP["UDP Layer"] --> S_QUIC["QUIC Layer"] S_QUIC --> S_HTTP3["HTTP/3 Layer"] S_HTTP3 --> S_APP["Server Application"] end C_UDP -- UDP Datagrams("QUIC Packets") | Via Network | --> S_UDP subgraph HTTP/3 Stream Types | RFC 9114 Section 6.1 | direction LR S1["Control Stream"] -- Control Messages | SETTINGS, GOAWAY | --> S_HTTP3 C_HTTP3 -- Request/Response | Headers, Data | --> S2["Request Stream"] S_HTTP3 -- Pushed Resources | Headers, Data | --> S3["Push Stream"] C_HTTP3 -- QPACK Table Updates | Encoder Instruction | --> S4["QPACK Encoder Stream"] S_HTTP3 -- QPACK Table Updates | Decoder Instruction | --> S4 end C_HTTP3 -- Manages | Creates Unidirectional/Bidirectional Streams | --> S_HTTP3 C_QUIC -- Provides | Independent, Reliable Streams | --> S_QUIC S_QUIC -- Provides | 0-RTT, Connection Migration | --> C_QUIC </pre></div> <h3 class="wp-block-heading">HTTP/3のサーバプッシュ (RFC 9114 Section 4.6)</h3> <p>HTTP/3のサーバプッシュは、HTTP/2と同様にクライアントが明示的にリクエストする前にサーバがリソースを送信するメカニズムですが、その実装は異なります。</p> <p>HTTP/2では<code>PUSH_PROMISE</code>フレームを送信してプッシュするリソースをクライアントに通知しましたが、HTTP/3では<code>PUSH_PROMISE</code>フレームは直接使用されません。代わりに、サーバはControl Streamで<code>MAX_PUSH_ID</code>フレームを送信し、プッシュ可能なIDの最大数をクライアントに通知します。その後、サーバはこれらの利用可能なID範囲内で、通常のプッシュストリーム（単方向）を生成し、そのストリームを通じてプッシュされたリソースのヘッダとデータを送信します。クライアントは<code>CANCEL_PUSH</code>フレーム（Control Stream）を送信することで、不要なプッシュをキャンセルできます。</p> <p><strong>関連フレーム構造</strong>:</p> <div class="codehilite"> <pre data-enlighter-language="generic">MAX_PUSH_ID Frame (Type 0x0D - RFC 9114 Section 7.5) +----------------+ | Type (0x0D) | Variable-length integer +----------------+ | Push ID | Variable-length integer (The maximum Push ID the sender is willing to accept) +----------------+ CANCEL_PUSH Frame (Type 0x0C - RFC 9114 Section 7.4) +----------------+ | Type (0x0C) | Variable-length integer +----------------+ | Push ID | Variable-length integer (The Push ID of the push stream to cancel) +----------------+ </pre> </div> <h3 class="wp-block-heading">ヘッダ圧縮 (QPACK)</h3> <p>HTTP/2のHPACK (RFC 7541) は、HTTPヘッダの効率的な圧縮を実現しましたが、ヘッダブロックのデコード順序に依存するため、基盤となるTCPでパケットロスが発生すると、HTTP層でHOL Blockingが発生する可能性がありました。</p> <p>QPACK (RFC 9204) はこの問題を解決するために設計されました。QPACKでは、動的テーブルの更新は独立したQPACK Encoder/Decoder Streamsを通じて行われ、ヘッダブロック自体は、動的テーブルの状態に依存せずにデコードできるよう、必要に応じて参照されていないエントリを直接エンコードする仕組みを持ちます。これにより、個々のヘッダブロックは独立してデコード可能となり、トランスポート層でのHOL Blocking回避のメリットがHTTP層でも活かされることになります。</p> <h3 class="wp-block-heading">QUIC接続のハンドシェイクと0-RTT</h3> <p>QUIC接続は、TLS 1.3ハンドシェイクをプロトコル自体に組み込んでいます。これにより、TLSのセキュリティ機能がQUICの信頼性層と一体化されています。</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>1-RTT接続</strong>: 初めての接続では、クライアントとサーバの間でTLS 1.3ハンドシェイクが行われ、1ラウンドトリップで接続が確立されます。</p></li> <li><p><strong>0-RTT接続</strong>: クライアントが前回の接続で確立されたセッション情報をキャッシュしている場合、次回の接続では0-RTT (Zero Round-Trip Time) で接続を再開できます。これは、クライアントが最初のパケットに暗号化されたアプリケーションデータを含めて送信できることを意味し、接続確立にかかる時間を大幅に短縮します。</p></li> </ul> <div class="wp-block-merpress-mermaidjs diagram-source-mermaid"><pre class="mermaid"> sequenceDiagram actor Client actor Server Note over Client,Server: Initial Connection (1-RTT Handshake) Client ->> Server: Initial: ClientHello, QUIC Transport Parameters Server -->> Client: Handshake: ServerHello, EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, Finished, QUIC Transport Parameters Server ->> Client: Initial: Handshake packets Client ->> Server: Handshake: Finished Client ->> Server: 1-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Request) Server -->> Client: 1-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Response) Note over Client,Server: Subsequent Connection (0-RTT Handshake) Client ->> Server: Initial: ClientHello (with PSK and Early Data indicator) Client ->> Server: 0-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Request) Server -->> Client: Handshake: ServerHello, EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, Finished Server -->> Client: 0-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Response, if 0-RTT accepted) Client ->> Server: Handshake: Finished </pre></div> <h2 class="wp-block-heading">相互運用性</h2> <h3 class="wp-block-heading">HTTP/2との比較</h3> <p>HTTP/3は、HTTP/2と比較して様々な点で進化を遂げています。</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>基盤プロトコル</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: TCP + TLS 1.2+</p></li> <li><p>HTTP/3: UDP + QUIC (TLS 1.3が組み込まれている)</p></li> </ul></li> <li><p><strong>多重化</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: TCP上の単一コネクション内でHTTPストリームを多重化。TCPのHOL Blockingが残存するため、パケットロスが全ストリームに影響。</p></li> <li><p>HTTP/3: QUIC上の単一コネクション内でQUICストリームを多重化。個々のストリームが独立しており、トランスポート層でのHOL Blockingを完全に回避。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>ヘッダ圧縮</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: HPACK (RFC 7541)。ヘッダブロックの順序依存性により、HTTP層でのHOL Blockingリスクあり。</p></li> <li><p>HTTP/3: QPACK (RFC 9204)。ヘッダブロックの独立性を高め、HTTP層でのHOL Blockingリスクを低減。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>サーバプッシュ</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: <code>PUSH_PROMISE</code>フレームでプッシュされるリクエストを通知後、プッシュされたリソースを送信。</p></li> <li><p>HTTP/3: <code>MAX_PUSH_ID</code>でプッシュ可能なID数を通知後、専用のプッシュストリームでリソースを送信。<code>PUSH_PROMISE</code>フレームは使用しない。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>接続確立</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: TCP 3-way handshake + TLS 1.2+ handshake (合計2-3 RTTs) が必要。</p></li> <li><p>HTTP/3: QUIC handshake (TLS 1.3組み込み) で1-RTT、初回以降は0-RTT可能。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>コネクションマイグレーション</strong>:</p> <ul> <li><p>HTTP/2: 基本的にサポートしない。IPアドレスやポートが変更されると、新しいTCP接続の再確立が必要。</p></li> <li><p>HTTP/3: QUICの機能として、IPアドレスやポートが変更されても、確立された接続を維持できる。モバイル環境などでのネットワーク切り替え時に有効。</p></li> </ul></li> </ul> <h2 class="wp-block-heading">セキュリティ考慮事項</h2> <p>HTTP/3はQUICプロトコル (RFC 9000, RFC 9001) の上に構築されているため、QUICのセキュリティ機能と考慮事項を継承します。</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>リプレイ攻撃 (0-RTT)</strong>:</p> <ul> <li><p>0-RTTデータは、前回の接続情報に基づいて暗号化されるため、攻撃者がこのデータを傍受し、サーバに複数回再送信することでリプレイ攻撃を試みる可能性があります (RFC 9001 Section 9.2)。</p></li> <li><p>サーバは、冪等でない操作（例: 購買取引）を含む0-RTTデータを受け入れる場合、リプレイ保護メカニズムを実装するか、または0-RTTデータでのそのような操作を禁止する必要があります。QUICは、Retryパケットや遅延した1-RTT確立といった形で一部のリプレイ保護機能を提供しますが、アプリケーション層での適切な設計が不可欠です。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>ダウングレード攻撃</strong>:</p> <ul> <li><p>攻撃者が、より脆弱なプロトコル（例: HTTP/1.1、HTTP/2）への接続を強制しようとする可能性があります。</p></li> <li><p>HTTP/3は、HTTP/1.1の<code>Alt-Svc</code>ヘッダフィールドやDNSレコードを通じてHTTP/3の存在を通知し、クライアントがHTTP/3を優先的に選択するように促します。これにより、中間者攻撃によるダウングレードを検出しにくくします。</p></li> </ul></li> <li><p><strong>キー更新と前方秘匿性</strong>:</p> <ul> <li>QUICはTLS 1.3をベースとしており、接続中に定期的に暗号キーを更新するメカニズム (RFC 9001 Section 6) を提供します。これにより、セッションキーの一部が漏洩しても、過去および将来の通信の機密性が保護される前方秘匿性が保証されます。</li> </ul></li> <li><p><strong>プライバシー</strong>:</p> <ul> <li>QUICのコネクションIDは、ネットワークパスの変更後も接続を維持するために使用されますが、これがユーザの追跡に利用される可能性が指摘されています (RFC 9000 Section 9.5)。QUICは、定期的なコネクションIDの変更や、コネクションIDの長さを調整するメカニズムを提供することで、このリスクを緩和しようとします。</li> </ul></li> </ul> <h2 class="wp-block-heading">実装メモ</h2> <p>HTTP/3の実装は、トランスポート層でのQUICのメリットを最大限に活かし、アプリケーション層で新たなボトルネックを作らないよう、いくつかの注意点があります。</p> <ul class="wp-block-list"> <li><p><strong>MTU/Path MTU</strong>:</p> <ul> <li>QUICはUDP上で動作するため、Path MTU Discovery (PMTUD) が重要です。PMTUDが適切に機能しない場合、QUICパケットのフラグメンテーションが発生し、パフォーマンス低下やパケットロスにつながる可能性があります。QUICの実装は、PMTUDを正確に行い、過大なUDPペイロードを避けるように設計されるべきです (RFC 9000 Section 14.2)。</li> </ul></li> <li><p><strong>HOL Blocking回避</strong>:</p> <ul> <li>QUICはトランスポート層でHOL Blockingを回避しますが、アプリケーション層（HTTP/3フレーム処理、QPACKデコードなど）で不適切な設計が行われると、新たなボトルネックが発生する可能性があります。特にQPACKデコーダは、動的テーブルの状態に依存するヘッダブロックのデコードで、参照する状態が更新されるまで待機しないよう、キューイングや依存関係解決の設計が重要です。</li> </ul></li> <li><p><strong>キュー制御と優先度</strong>:</p> <ul> <li>HTTP/3では、複数のストリームが同時に存在するため、サーバはどのストリームに帯域幅を割り当て、どのリソースをどの順序で処理すべきかを決定するための優先度メカニズムが必要です。RFC 9218 (Extensible Prioritization Scheme for HTTP) などを用いて、クライアントはリソースの優先度をサーバに伝えることができます。実装は、これらの優先度ヒントを尊重し、ネットワークリソース（帯域幅、CPU、メモリ）を適切に割り当てるキュー制御を実装する必要があります。</li> </ul></li> <li><p><strong>接続マイグレーション</strong>:</p> <ul> <li>QUICの大きな利点の一つである接続マイグレーション（IPアドレスやポート変更時の接続維持）を適切にサポートするため、実装は複数のIPアドレスとポートの組み合わせを管理し、パケットが届かなくなったパスを検出し、新しいパスにシームレスに切り替えるロジックを持つ必要があります (RFC 9000 Section 9)。</li> </ul></li> </ul> <h2 class="wp-block-heading">まとめ</h2> <p>RFC 9114に定義されるHTTP/3は、その基盤であるQUICプロトコルを活用することで、HTTP/2が抱えていたTCPのHead-of-Line (HOL) Blocking問題をトランスポート層で根本的に解決しました。これにより、複数のHTTPストリームが独立してデータを受送信できるようになり、ネットワーク遅延やパケットロスに対する耐性が飛躍的に向上しました。</p> <p>HTTP/3のサーバプッシュは、HTTP/2の<code>PUSH_PROMISE</code>フレームから<code>MAX_PUSH_ID</code>フレームと専用のプッシュストリームへと変更され、より制御可能かつ効率的なメカニズムを提供します。また、QPACKヘッダ圧縮は、HTTP層でのHOL Blockingリスクを低減し、0-RTTハンドシェイクは接続確立時間を大幅に短縮します。</p> <p>実装においては、0-RTTのリプレイ攻撃対策、Path MTU Discoveryの適切な運用、アプリケーション層でのキュー制御と優先度付けが特に重要です。HTTP/3は、ウェブパフォーマンスと信頼性を次のレベルへと引き上げる、革新的なプロトコルとして、今後のWeb通信の主流となることが期待されます。</p>

flowchart TD
    subgraph Client
        C_APP["Client Application"] --> C_HTTP3["HTTP/3 Layer"]
        C_HTTP3 --> C_QUIC["QUIC Layer"]
        C_QUIC --> C_UDP["UDP Layer"]
    end

    subgraph Server
        S_UDP["UDP Layer"] --> S_QUIC["QUIC Layer"]
        S_QUIC --> S_HTTP3["HTTP/3 Layer"]
        S_HTTP3 --> S_APP["Server Application"]
    end

    C_UDP -- UDP Datagrams("QUIC Packets") | Via Network | --> S_UDP

    subgraph HTTP/3 Stream Types | RFC 9114 Section 6.1 |
        direction LR
        S1["Control Stream"] -- Control Messages | SETTINGS, GOAWAY | --> S_HTTP3
        C_HTTP3 -- Request/Response | Headers, Data | --> S2["Request Stream"]
        S_HTTP3 -- Pushed Resources | Headers, Data | --> S3["Push Stream"]
        C_HTTP3 -- QPACK Table Updates | Encoder Instruction | --> S4["QPACK Encoder Stream"]
        S_HTTP3 -- QPACK Table Updates | Decoder Instruction | --> S4
    end

    C_HTTP3 -- Manages | Creates Unidirectional/Bidirectional Streams | --> S_HTTP3
    C_QUIC -- Provides | Independent, Reliable Streams | --> S_QUIC
    S_QUIC -- Provides | 0-RTT, Connection Migration | --> C_QUIC

MAX_PUSH_ID Frame (Type 0x0D - RFC 9114 Section 7.5)
+----------------+
| Type (0x0D)    | Variable-length integer
+----------------+
| Push ID        | Variable-length integer (The maximum Push ID the sender is willing to accept)
+----------------+

CANCEL_PUSH Frame (Type 0x0C - RFC 9114 Section 7.4)
+----------------+
| Type (0x0C)    | Variable-length integer
+----------------+
| Push ID        | Variable-length integer (The Push ID of the push stream to cancel)
+----------------+

sequenceDiagram
    actor Client
    actor Server
    Note over Client,Server: Initial Connection (1-RTT Handshake)
    Client ->> Server: Initial: ClientHello, QUIC Transport Parameters
    Server -->> Client: Handshake: ServerHello, EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, Finished, QUIC Transport Parameters
    Server ->> Client: Initial: Handshake packets
    Client ->> Server: Handshake: Finished
    Client ->> Server: 1-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Request)
    Server -->> Client: 1-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Response)

    Note over Client,Server: Subsequent Connection (0-RTT Handshake)

    Client ->> Server: Initial: ClientHello (with PSK and Early Data indicator)
    Client ->> Server: 0-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Request)
    Server -->> Client: Handshake: ServerHello, EncryptedExtensions, Certificate, CertificateVerify, Finished
    Server -->> Client: 0-RTT Application Data (e.g., HTTP/3 Response, if 0-RTT accepted)
    Client ->> Server: Handshake: Finished