Webプロトコルの進化 (HTTP/1.1, HTTP/2, HTTP/3)

Webの基盤となるHTTPプロトコルは、リッチなコンテンツの増加やモバイル通信の普及に合わせて進化してきました。試験では、各バージョンの違い、特にパフォーマンス改善の仕組みと、最新のHTTP/3 (QUIC) の特徴が問われます。

プロトコルの変遷と概要

バージョン	登場時期	トランスポート層	主な特徴
HTTP/1.1	1997	TCP	Keep-Alive、パイプライニング（実質未使用）
HTTP/2	2015	TCP	ストリーム多重化、ヘッダー圧縮、バイナリ形式
HTTP/3	2022	UDP (QUIC)	高速な接続確立、パケットロス耐性、TLS 1.3統合

HTTP/1.1 の課題

HTTP/1.1では、1つのTCP接続で同時に1つのリクエストしか処理できませんでした（パイプライニングは実装上の問題で普及せず）。

HOL (Head-of-Line) ブロッキング: 先頭のリクエストの処理が遅れると、後続のリクエストもすべて待たされる現象。
ヘッダーの冗長性: 毎回同じようなヘッダー（User-Agent, Cookieなど）をテキスト形式で送信するため無駄が多い。

HTTP/2 の革新

GoogleのSPDYプロトコルをベースに策定されました。

1. ストリーム多重化

1つのTCP接続の中に複数の「ストリーム」を作り、リクエストとレスポンスを並列に処理します。

graph LR
    subgraph tcp1["HTTP/1.1 (TCP接続)"]
        REQ1["Req A"] --> RES1["Res A"]
        RES1 --> REQ2["Req B"]
        REQ2 --> RES2["Res B"]
    end

    subgraph tcp2["HTTP/2 (TCP接続)"]
        direction TB
        subgraph stream1["ストリーム 1"]
            S1_REQ["Req A"]
            S1_RES["Res A"]
        end
        subgraph stream2["ストリーム 2"]
            S2_REQ["Req B"]
            S2_RES["Res B"]
        end
    end

    NOTE["HTTP/1.1は直列<br/>HTTP/2は並列"]

    style tcp1 fill:#fff3e0
    style tcp2 fill:#e3f2fd

2. その他の機能

HPACK: ヘッダー圧縮技術。差分のみを送信することで通信量を削減。
バイナリフレーミング: テキストではなくバイナリ形式でデータをやり取りし、解析効率を向上。
サーバープッシュ: クライアントが要求する前に、サーバー側から関連リソース（CSS, JSなど）を送りつける機能。

HTTP/2 の弱点 (TCP HOL Blocking)

HTTPレベルのHOLブロッキングは解消しましたが、TCPレベルのHOLブロッキングは残りました。TCPパケットが1つでもロスすると、再送されるまで後続のすべてのストリームが止まってしまいます。

HTTP/3 と QUIC

TCPを捨て、UDP上に構築された新しいトランスポートプロトコル QUIC を採用しました。

プロトコルスタックの比較

block-beta
    columns 2

    block:http2
        columns 1
        H2["HTTP/2"]
        TLS["TLS 1.2 / 1.3"]
        TCP["TCP"]
        IP1["IP"]
    end

    block:http3
        columns 1
        H3["HTTP/3"]
        QUIC["QUIC (TLS 1.3内蔵)"]
        UDP["UDP"]
        IP2["IP"]
    end

    style H2 fill:#fff3e0
    style TLS fill:#fff3e0
    style TCP fill:#fff3e0

    style H3 fill:#e3f2fd
    style QUIC fill:#c8e6c9
    style UDP fill:#c8e6c9

HTTP/3 (QUIC) のメリット

接続確立の高速化 (0-RTT / 1-RTT)
- TCP+TLSではハンドシェイクに往復回数が多くかかりますが、QUICはTLS 1.3を統合しており、初回接続でも1-RTT、再接続なら0-RTT（データ送信開始まで待ち時間なし）が可能です。
TCP HOLブロッキングの解消
- ストリームごとに独立してパケット再送制御を行うため、あるストリームのパケットがロスしても、他のストリームは止まりません。
コネクションマイグレーション
- IPアドレスではなく「コネクションID」で接続を識別します。
- スマホがWi-Fiから4G/5Gに切り替わりIPが変わっても、通信を切断することなく継続できます。

試験対策のポイント

各バージョンのボトルネック解消:
- HTTP/1.1 HOLブロッキング → HTTP/2で多重化により解消
- HTTP/2 TCP HOLブロッキング → HTTP/3(QUIC)でUDP採用により解消
トランスポート層の違い: HTTP/1.1, 2はTCP、HTTP/3はUDP。
QUICの特徴: TLS 1.3が必須（統合されている）、コネクションIDによるローミング対応。

mindmap
  root((Webプロトコル))
    HTTP/1.1
      テキスト形式
      直列処理
      Keep-Alive
    HTTP/2
      バイナリ形式
      ストリーム多重化
      HPACK 圧縮
      TCPベース
    HTTP/3
      QUIC UDPベース
      TLS 1.3統合
      高速ハンドシェイク
      接続維持 ローミング