HTTP/1.1・HTTP/2・HTTP/3のレイヤ構造比較図

同じHTTPでも「下に何があるか」が違う

HTTP/1.1・HTTP/2・HTTP/3は、アプリケーション層から見れば同じ「メソッド・URL・ヘッダ・ボディ」というセマンティクスを共有します。違うのはその下に積まれたトランスポートとセキュリティの層構造です。この層構造の差こそが、性能特性と「どこで詰まるか」を決めます。

本稿では3バージョンを横並びにして、(1) 各層の積み方、(2) ハンドシェイクの往復数、(3) HOL（Head-of-Line）ブロッキングが発生・解消する層、を文章で図解します。前提として、より上の層が下の層のサービスを利用し、下の層の制約をそのまま引き継ぐ、という関係を意識してください。

3バージョンの層スタックを縦に積む

まず各バージョンの層を、上（アプリ）から下（物理に近い側）へ並べます。同じ行が「だいたい同じ役割の層」に対応するよう揃えています。

            HTTP/1.1            HTTP/2             HTTP/3
  アプリ  │ HTTPセマンティクス │ HTTPセマンティクス │ HTTPセマンティクス
  整形    │ テキスト行ベース   │ バイナリフレーム   │ バイナリフレーム
  多重化  │ （なし・直列）     │ HTTP/2ストリーム   │ QUICストリーム ┐
  暗号化  │ TLS               │ TLS               │              │ QUIC
  順序保証│ TCP               │ TCP               │ （QUIC内蔵）   ┘
  到達    │ IP                │ IP                │ UDP → IP

最大の差は右端の2バージョンの境目です。HTTP/1.1とHTTP/2は TLS over TCP という独立した2層を別々に積みます。一方HTTP/3は、多重化・暗号化・順序保証・フロー制御をまとめてQUICという1つのトランスポート層に統合し、それをUDPの上に載せます。UDPは「ポート番号付きでパケットを投げるだけ」の薄い層で、信頼性も順序保証も持ちません。それらをQUICが自前で実装しているのが要点です。

ハンドシェイクの往復数を比べる

層が分かれているほど、接続確立で握る相手も増えます。RTT（往復遅延）単位で比較します。

HTTP/1.1とHTTP/2では、TCPの3ウェイハンドシェイクが完了してからTLSを始めるという直列依存があります。TLSはTCPという信頼できるバイト列の上でしか動けないからです。HTTP/3のQUICはトランスポートの確立とTLS1.3の鍵交換を同じ往復に相乗りさせるため、初回でも1 RTTで暗号化済みの通信が始まります。さらに過去に接続した相手なら、前回の鍵材料を使って**最初のパケットにアプリデータを同梱（0-RTT）**できます。

HOLブロッキングは「どの層で起きるか」が全て

3バージョンを分ける最重要点が、HOLブロッキングの発生層です。HOLブロッキングとは「先頭の処理が詰まると後続が全部待たされる」現象で、どの層がそれを引き起こすかがバージョンごとに違います。

順を追って、なぜそうなるかを層で説明します。

HTTP/1.1（アプリ層で発生）. 1本のTCP接続上でリクエストとレスポンスを1往復ずつ処理します。先行リクエストの応答が返るまで後続を送れない（パイプライン化は実装上ほぼ使われない）ため、アプリ層そのものが直列化のボトルネックです。ブラウザはオリジンあたり6本程度の並列接続でごまかしますが、根治ではありません。

HTTP/2（アプリ層は解消・TCP層に移動）. 通信をフレームに分割し、ストリームIDで識別して1本のTCPに多重化します。これでアプリ層のHOLは消えます。しかし全ストリームが1本のTCPを共有するため、途中のパケットが1つ失われると、TCPは「順序通りにバイト列を渡す」保証を守るために再送が届くまで後続の全データを上位へ渡さず保留します。ロスが特定の1ストリームのフレームに起きただけでも、TCPは接続全体を止める。これがTCP層のHOLブロッキングで、HTTP/2の多重化の限界です（詳細は HTTP/2の多重化とHPACK を参照）。

HTTP/3（トランスポート層でも解消）. QUICはストリームをトランスポート層で独立に管理します。各ストリームが自分専用のシーケンス番号空間と再送・順序保証を持つため、ストリームAのパケットが落ちても、ストリームBは無関係に配送を続けられます。TCPのような「接続全体で1つの順序付きバイト列」という制約がそもそも無いのです。

パケットロス時の挙動（ストリーム1のパケットが1個欠落したと仮定）

HTTP/2 (1本のTCP)
  stream1: [P1][--欠落--][P3] ┐
  stream2: [P1][P2][P3]       ├→ TCPが順序保証 → stream2も保留され停止
  stream3: [P1][P2][P3]       ┘   （接続全体がHOLブロッキング）

HTTP/3 (QUICが各ストリームを分離)
  stream1: [P1][--欠落--][P3] → このストリームだけ再送待ち
  stream2: [P1][P2][P3]       → 影響なし・即配送
  stream3: [P1][P2][P3]       → 影響なし・即配送

層統合がもたらす副次効果：コネクションマイグレーション

層を統合した恩恵はHOLだけではありません。TCP接続は4つ組（送信元IP・ポート・宛先IP・ポート）で同一性を定義するため、スマホがWi-Fiからモバイル回線に切り替わって送信元IPが変わると接続が切れ、張り直しになります。QUICは接続をコネクションIDという独立した識別子で管理するため、IPが変わってもコネクションIDが同じなら同じ接続として継続できます。これがコネクションマイグレーションで、TCPが下層のIPアドレスに縛られていた制約を、層の再設計で外した例です。

まとめ