QUIC の内部構造（ストリーム多重化と0-RTT）

なぜ UDP の上に作るのか

QUIC（RFC 9000）は TCP を置き換えるトランスポートですが、ネットワーク機器（NAT・ファイアウォール・ロードバランサ）の多くは TCP と UDP しか素通しせず、新しいプロトコル番号は途中で落とされます。そこで QUIC は UDP のペイロードとして自身のパケットを運び、信頼性・順序制御・輻輳制御・暗号化をすべてユーザー空間（アプリやライブラリ側）で再実装します。OS のカーネルに依存しないため、TCP では難しかった改良の即時展開も可能になりました。詳しくは /network/tcp-udp/ と /network/http-versions/ も参照してください。

パケットとフレームの二層構造

QUIC は「パケット」と「フレーム」を分けて考えます。

• パケット: UDP データグラムに入る暗号化の単位。一意なパケット番号を持ち、再送されても同じ番号は二度と使わない（TCP のシーケンス番号と異なる重要点）。
• フレーム: パケットの中身。STREAM（データ本体）、ACK（受信確認）、CRYPTO（ハンドシェイク）、MAX_DATA（フロー制御）など型がある。1 パケットに複数フレームを詰められる。

パケット番号が単調増加するため、再送パケットの ACK と元パケットの ACK を取り違える再送アンビギュイティが原理的に起きません。これにより RTT 計測が正確になり、輻輳制御の精度が上がります。

UDP データグラム
└─ QUIC パケット（暗号化, パケット番号 = N）
   ├─ STREAM フレーム（stream_id=4, offset, data）
   ├─ STREAM フレーム（stream_id=8, offset, data）
   └─ ACK フレーム（受信済みパケット番号の範囲）

ストリーム多重化と HoL ブロッキングの解消

QUIC は 1 コネクション内に多数のストリームを持ち、各ストリームは独立したバイト列です。ストリーム ID の下位 2 ビットで「開始側（クライアント/サーバー）」と「双方向/単方向」を区別します。

順序保証はストリームごとに閉じているのが核心です。あるパケットが失われても、影響を受けるのはそのパケットに含まれていたストリームだけで、他ストリームのデータは到着次第アプリへ引き渡せます。

コネクション移行（Connection Migration）

TCP コネクションは「送信元IP・送信元ポート・宛先IP・宛先ポート」の 4 つ組で識別されます。スマートフォンが Wi-Fi からモバイル回線へ切り替わると送信元 IP が変わり、TCP では接続が切れて張り直しになります。

QUIC はコネクションを 4 つ組ではなく Connection ID（CID） で識別します。経路が変わって IP/ポートが変化しても、CID が一致すれば同じコネクションとして継続できます。

• 移行時は Path Validation（PATH_CHALLENGE / PATH_RESPONSE）で新経路の到達性を確認してから本格利用する。
• 観測者による紐付けを防ぐため、CID は複数発行され経路変更に合わせて差し替えられる。
• 輻輳制御の状態は新経路では原則リセットし、未知の帯域に過大な送信をしない。

ハンドシェイクと 0-RTT

QUIC は /network/tls/ の TLS 1.3 を別レイヤとして上に載せるのではなく統合し、鍵交換を CRYPTO フレームでトランスポートと同じパケットに相乗りさせます。これにより、通常の TCP+TLS が要した「TCP の 3 ウェイ＋TLS のやり取り」が 1-RTT に圧縮されます。

さらに、過去に通信した相手へは 0-RTT で再開できます。初回ハンドシェイク時にサーバーが渡した情報から事前共有鍵（PSK）を導出し、再訪時は最初のパケットに暗号化済みのアプリデータ（例: GET 要求）をいきなり載せて送ります。

輻輳制御とフロー制御

QUIC は TCP と同様の輻輳制御（CUBIC / BBR 等）をプロトコルとは独立に差し替え可能な形で持ちます。フロー制御は二段構えで、コネクション全体の上限（MAX_DATA）とストリームごとの上限（MAX_STREAM_DATA）を別々に通知します。これにより、1 本の重いストリームがコネクション全体のバッファを食い尽くす事態を防ぎます。基礎となる輻輳・再送の考え方は /network/tcp-ip/ の TCP の挙動と対比すると理解が深まります。

まとめ

QUIC の本質は「TCP が担っていた信頼性・順序・暗号化を、UDP の上に再設計して統合した」点にあります。順序保証をストリーム単位に分解して HoL を断ち、CID で経路非依存の継続を実現し、TLS 1.3 統合で接続確立を 1-RTT・再訪を 0-RTT まで縮める。HTTP/3 が高遅延・不安定回線で強いのは、これらが積み重なった結果です。