TCP vs UDP vs QUIC
- TCP (Transmission Control Protocol)
- 信頼性の高いデータ転送を保証
- 3ウェイハンドシェイクによる接続確立
- ヘッド・オブ・ライン・ブロッキングの問題あり
- ヘッダーサイズが最小20バイト
- UDP (User Datagram Protocol)
- 信頼性のないデータ転送
- 非接続指向でオーバーヘッドが少ない
- ヘッダーサイズが8バイト
- QUIC (Quick UDP Internet Connections)
- UDPをベースにしつつ、TCPのような信頼性を提供
- 組み込みの暗号化と0-RTT接続再開
- ストリームの多重化によりヘッド・オブ・ライン・ブロッキングを解決
- ヘッダーにはUDPヘッダーに加えてQUIC固有の情報が含まれる
ヘッダ構成の比較
| 特徴 | TCP | UDP | QUIC |
|---|---|---|---|
| ポート番号 | ソースポート、宛先ポート | ソースポート、宛先ポート | ソースポート、宛先ポート (UDPヘッダー内) |
| シーケンス番号 | あり | なし | あり (パケット番号として) |
| 確認応答番号 | あり | なし | あり |
| フラグ | SYN, ACK, FINなど | なし | フレームタイプによる制御 |
| チェックサム | あり | あり | あり (UDPヘッダー内) |
| ヘッダーサイズ | 最小20バイト | 8バイト | UDPヘッダー(8バイト) + QUIC固有のオーバーヘッド |
| 暗号化 | アプリケーション層で実装 (例: TLS) | なし | 組み込み (TLS 1.3) |
| ストリーム多重化 | なし | なし | あり |
QUICは、TCPとUDPの長所を組み合わせ、インターネット通信のパフォーマンスとセキュリティを向上させることを目指しています。特に、組み込みの暗号化、ストリームの多重化、そして低遅延の接続再開機能により、ウェブアプリケーションのパフォーマンスが大幅に改善される可能性があります。
QUICとHTTPSの暗号化の関係
- QUICの暗号化: QUICは通信の開始時からTLS 1.3による暗号化を利用します。これにより、データの機密性と完全性が保護され、接続の確立も高速化されます。QUICにおいては、TLSのハンドシェイクがプロトコルの一部として統合されており、セキュリティの基盤を形成しています。
- HTTPSの暗号化: HTTPSはHTTP通信にTLS暗号化を追加することでセキュリティを確保しています。通常、このプロセスはTCP接続の上で行われますが、QUICを使用する場合、TCPと別のTLSセッションは不要です。なぜなら、QUIC自体がすでにTLS 1.3による暗号化とセッション管理を提供しているためです。
- 結果: QUICを使用するHTTPS通信では、二重の暗号化層を重ねることはありません。代わりに、QUICの内蔵TLSが直接HTTPSのセキュリティ要件を満たします。これにより、セットアップ時間の短縮と効率的な暗号化処理が可能になり、結果としてウェブページのロード時間が改善されます。
QUICにおける暗号化と平文通信
- 暗号化のタイミング: QUICでは、ヘッダーを付与する際にデータ部分も含めて暗号化が行われます。これにより、データ転送の完全性と機密性が保証され、中間者攻撃などのセキュリティリスクを大幅に軽減します。
- 平文でのやり取りの廃止: QUICを使用することで、HTTP/2やHTTP/1.xのようにアプリケーション層で平文のHTTPメッセージを送受信することはなくなります。QUICはデフォルトで全ての通信を暗号化するため、平文での通信は行われません。
- TLS証明書（公開鍵）の交換: QUICでは、接続の確立フェーズの一環としてTLSハンドシェイクが行われます。このハンドシェイクプロセス中に、サーバーはクライアントに対して自身の証明書（公開鍵含む）を送信し、クライアントはこの証明書を検証します。これにより、セキュアな通信チャネルの確立が保証されます。QUICのハンドシェイクは、接続開始時に0-RTTや1-RTTのいずれかの方法で迅速に行われ、通信の遅延を最小限に抑えることができます。
QUIC接続確立とTLS証明書交換のシーケンス図
sequenceDiagram
participant C as クライアント
participant S as サーバー
Note over C,S: QUIC接続の確立開始
C->>S: QUIC接続要求 (Client Hello + 暗号化パラメータ)
S-->>C: QUIC接続応答 (Server Hello + 暗号化パラメータ)
S-->>C: TLS証明書 (公開鍵)
C->>C: 証明書の検証
C->>S: TLSキー共有情報 (クライアントからサーバーへの暗号化情報)
Note over C,S: TLSハンドシェイク完了
S->>C: TLSハンドシェイク完了確認
Note over C,S: セキュアな通信チャネル確立
C->>S: 暗号化されたHTTP/3リクエスト
S-->>C: 暗号化されたHTTP/3レスポンス
- クライアントがQUIC接続要求を送信: クライアントはサーバーに対してQUIC接続要求を送り、Client Helloメッセージと共に初期の暗号化パラメータを含めます。
- サーバーからの応答とTLS証明書の送信: サーバーはClient Helloに応答してServer Helloメッセージと自身のTLS証明書（公開鍵を含む）を送り返します。
- クライアントによる証明書の検証: クライアントは受け取った証明書を検証し、信頼できる発行元からのものであることを確認します。
- TLSキー共有情報の交換: クライアントはサーバーに対してTLSキー共有情報を送信し、サーバーもこれに応答してセキュアな通信チャネルの確立を完了します。
- セキュアな通信の開始: TLSハンドシェイクが完了した後、クライアントとサーバーはこのセキュアなチャネルを通じて暗号化されたHTTP/3通信を開始します。
