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[pingpong.git] / Code / Projects / SmartPlugDetector / src / main / java / edu / uci / iotproject / detection / layer2 / Layer2SignatureDetector.java
1 package edu.uci.iotproject.detection.layer2;
2
3 import edu.uci.iotproject.analysis.TriggerTrafficExtractor;
4 import edu.uci.iotproject.analysis.UserAction;
5 import edu.uci.iotproject.detection.AbstractClusterMatcher;
6 import edu.uci.iotproject.detection.ClusterMatcherObserver;
7 import edu.uci.iotproject.detection.SignatureDetectorObserver;
8 import edu.uci.iotproject.io.PcapHandleReader;
9 import edu.uci.iotproject.io.PrintWriterUtils;
10 import edu.uci.iotproject.trafficreassembly.layer2.Layer2Flow;
11 import edu.uci.iotproject.trafficreassembly.layer2.Layer2FlowReassembler;
12 import edu.uci.iotproject.util.PrintUtils;
13 import org.jgrapht.GraphPath;
14 import org.jgrapht.alg.shortestpath.DijkstraShortestPath;
15 import org.jgrapht.graph.DefaultWeightedEdge;
16 import org.jgrapht.graph.SimpleDirectedWeightedGraph;
17 import org.pcap4j.core.*;
18
19 import java.io.File;
20 import java.io.FileWriter;
21 import java.io.IOException;
22 import java.io.PrintWriter;
23 import java.time.Duration;
24 import java.util.*;
25 import java.util.function.Function;
26 import java.util.regex.Pattern;
27
28 /**
29  * Performs layer 2 signature detection.
30  *
31  * @author Janus Varmarken {@literal <jvarmark@uci.edu>}
32  * @author Rahmadi Trimananda {@literal <rtrimana@uci.edu>}
33  */
34 public class Layer2SignatureDetector implements PacketListener, ClusterMatcherObserver {
35
36     /**
37      * If set to {@code true}, output written to the results file is also dumped to standard out.
38      */
39     private static boolean DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT = true;
40
41     private static List<Function<Layer2Flow, Boolean>> parseSignatureMacFilters(String filtersString) {
42         List<Function<Layer2Flow, Boolean>> filters = new ArrayList<>();
43         String[] filterRegexes = filtersString.split(";");
44         for (String filterRegex : filterRegexes) {
45             final Pattern regex = Pattern.compile(filterRegex);
46             // Create a filter that includes all flows where one of the two MAC addresses match the regex.
47             filters.add(flow -> regex.matcher(flow.getEndpoint1().toString()).matches() || regex.matcher(flow.getEndpoint2().toString()).matches());
48         }
49         return filters;
50     }
51
52     public static void main(String[] args) throws PcapNativeException, NotOpenException, IOException {
53         // Parse required parameters.
54         if (args.length < 5) {
55             String errMsg = String.format("Usage: %s inputPcapFile onSignatureFile offSignatureFile resultsFile" +
56                             "\n  inputPcapFile: the target of the detection" +
57                             "\n  onSignatureFile: the file that contains the ON signature to search for" +
58                             "\n  offSignatureFile: the file that contains the OFF signature to search for" +
59                             "\n  resultsFile: where to write the results of the detection" +
60                             "\n  signatureDuration: the maximum duration of signature detection",
61                     Layer2SignatureDetector.class.getSimpleName());
62             System.out.println(errMsg);
63             String optParamsExplained = "Above are the required, positional arguments. In addition to these, the " +
64                     "following options and associated positional arguments may be used:\n" +
65                     "  '-onmacfilters <regex>;<regex>;...;<regex>' which specifies that sequence matching should ONLY" +
66                     " be performed on flows where the MAC of one of the two endpoints matches the given regex. Note " +
67                     "that you MUST specify a regex for each cluster of the signature. This is to facilitate more " +
68                     "aggressive filtering on parts of the signature (e.g., the communication that involves the " +
69                     "smart home device itself as one can drop all flows that do not include an endpoint with a MAC " +
70                     "that matches the vendor's prefix).\n" +
71                     "  '-offmacfilters <regex>;<regex>;...;<regex>' works exactly the same as onmacfilters, but " +
72                     "applies to the OFF signature instead of the ON signature.\n" +
73                     "  '-sout <boolean literal>' true/false literal indicating if output should also be printed to std out; default is true.";
74             System.out.println(optParamsExplained);
75             return;
76         }
77         final String pcapFile = args[0];
78         final String onSignatureFile = args[1];
79         final String offSignatureFile = args[2];
80         final String resultsFile = args[3];
81         final int signatureDuration = Integer.parseInt(args[4]);
82
83         // Parse optional parameters.
84         List<Function<Layer2Flow, Boolean>> onSignatureMacFilters = null, offSignatureMacFilters = null;
85         final int optParamsStartIdx = 5;
86         if (args.length > optParamsStartIdx) {
87             for (int i = optParamsStartIdx; i < args.length; i++) {
88                 if (args[i].equalsIgnoreCase("-onMacFilters")) {
89                     // Next argument is the cluster-wise MAC filters (separated by semicolons).
90                     onSignatureMacFilters = parseSignatureMacFilters(args[i+1]);
91                 } else if (args[i].equalsIgnoreCase("-offMacFilters")) {
92                     // Next argument is the cluster-wise MAC filters (separated by semicolons).
93                     offSignatureMacFilters = parseSignatureMacFilters(args[i+1]);
94                 } else if (args[i].equalsIgnoreCase("-sout")) {
95                     // Next argument is a boolean true/false literal.
96                     DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT = Boolean.parseBoolean(args[i+1]);
97                 }
98             }
99         }
100
101         // Prepare file outputter.
102         File outputFile = new File(resultsFile);
103         outputFile.getParentFile().mkdirs();
104         final PrintWriter resultsWriter = new PrintWriter(new FileWriter(outputFile));
105         // Include metadata as comments at the top
106         PrintWriterUtils.println("# Detection results for:", resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
107         PrintWriterUtils.println("# - inputPcapFile: " + pcapFile, resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
108         PrintWriterUtils.println("# - onSignatureFile: " + onSignatureFile, resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
109         PrintWriterUtils.println("# - offSignatureFile: " + offSignatureFile, resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
110         resultsWriter.flush();
111
112         // Create signature detectors and add observers that output their detected events.
113         List<List<List<PcapPacket>>> onSignature = PrintUtils.deserializeSignatureFromFile(onSignatureFile);
114         List<List<List<PcapPacket>>> offSignature = PrintUtils.deserializeSignatureFromFile(offSignatureFile);
115         Layer2SignatureDetector onDetector = onSignatureMacFilters == null ?
116                 new Layer2SignatureDetector(onSignature) : new Layer2SignatureDetector(onSignature, onSignatureMacFilters, signatureDuration);
117         Layer2SignatureDetector offDetector = offSignatureMacFilters == null ?
118                 new Layer2SignatureDetector(offSignature) : new Layer2SignatureDetector(offSignature, offSignatureMacFilters, signatureDuration);
119         onDetector.addObserver((signature, match) -> {
120             UserAction event = new UserAction(UserAction.Type.TOGGLE_ON, match.get(0).get(0).getTimestamp());
121             PrintWriterUtils.println(event, resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
122         });
123         offDetector.addObserver((signature, match) -> {
124             UserAction event = new UserAction(UserAction.Type.TOGGLE_OFF, match.get(0).get(0).getTimestamp());
125             PrintWriterUtils.println(event, resultsWriter, DUPLICATE_OUTPUT_TO_STD_OUT);
126         });
127
128         // Load the PCAP file
129         PcapHandle handle;
130         try {
131             handle = Pcaps.openOffline(pcapFile, PcapHandle.TimestampPrecision.NANO);
132         } catch (PcapNativeException pne) {
133             handle = Pcaps.openOffline(pcapFile);
134         }
135         PcapHandleReader reader = new PcapHandleReader(handle, p -> true, onDetector, offDetector);
136         // Parse the file
137         reader.readFromHandle();
138
139         // Flush output to results file and close it.
140         resultsWriter.flush();
141         resultsWriter.close();
142     }
143
144     /**
145      * The signature that this {@link Layer2SignatureDetector} is searching for.
146      */
147     private final List<List<List<PcapPacket>>> mSignature;
148
149     /**
150      * The {@link Layer2ClusterMatcher}s in charge of detecting each individual sequence of packets that together make
151      * up the the signature.
152      */
153     private final List<Layer2ClusterMatcher> mClusterMatchers;
154
155     /**
156      * For each {@code i} ({@code i >= 0 && i < mPendingMatches.length}), {@code mPendingMatches[i]} holds the matches
157      * found by the {@link Layer2ClusterMatcher} at {@code mClusterMatchers.get(i)} that have yet to be "consumed",
158      * i.e., have yet to be included in a signature detected by this {@link Layer2SignatureDetector} (a signature can
159      * be encompassed of multiple packet sequences occurring shortly after one another on multiple connections).
160      */
161     private final List<List<PcapPacket>>[] mPendingMatches;
162
163     /**
164      * Maps a {@link Layer2ClusterMatcher} to its corresponding index in {@link #mPendingMatches}.
165      */
166     private final Map<Layer2ClusterMatcher, Integer> mClusterMatcherIds;
167
168     /**
169      * In charge of reassembling layer 2 packet flows.
170      */
171     private final Layer2FlowReassembler mFlowReassembler = new Layer2FlowReassembler();
172
173     private final List<SignatureDetectorObserver> mObservers = new ArrayList<>();
174
175     private int mInclusionTimeMillis;
176
177     public Layer2SignatureDetector(List<List<List<PcapPacket>>> searchedSignature) {
178         this(searchedSignature, null, 0);
179     }
180
181     public Layer2SignatureDetector(List<List<List<PcapPacket>>> searchedSignature, List<Function<Layer2Flow, Boolean>> flowFilters, int inclusionTimeMillis) {
182         if (flowFilters != null && flowFilters.size() != searchedSignature.size()) {
183             throw new IllegalArgumentException("If flow filters are used, there must be a flow filter for each cluster of the signature.");
184         }
185         mSignature = Collections.unmodifiableList(searchedSignature);
186         List<Layer2ClusterMatcher> clusterMatchers = new ArrayList<>();
187         for (int i = 0; i < mSignature.size(); i++) {
188             List<List<PcapPacket>> cluster = mSignature.get(i);
189             Layer2ClusterMatcher clusterMatcher = flowFilters == null ?
190                     new Layer2ClusterMatcher(cluster) : new Layer2ClusterMatcher(cluster, flowFilters.get(i));
191             clusterMatcher.addObserver(this);
192             clusterMatchers.add(clusterMatcher);
193         }
194         mClusterMatchers = Collections.unmodifiableList(clusterMatchers);
195         mPendingMatches = new List[mClusterMatchers.size()];
196         for (int i = 0; i < mPendingMatches.length; i++) {
197             mPendingMatches[i] = new ArrayList<>();
198         }
199         Map<Layer2ClusterMatcher, Integer> clusterMatcherIds = new HashMap<>();
200         for (int i = 0; i < mClusterMatchers.size(); i++) {
201             clusterMatcherIds.put(mClusterMatchers.get(i), i);
202         }
203         mClusterMatcherIds = Collections.unmodifiableMap(clusterMatcherIds);
204         // Register all cluster matchers to receive a notification whenever a new flow is encountered.
205         mClusterMatchers.forEach(cm -> mFlowReassembler.addObserver(cm));
206         mInclusionTimeMillis =
207                 inclusionTimeMillis == 0 ? TriggerTrafficExtractor.INCLUSION_WINDOW_MILLIS : inclusionTimeMillis;
208     }
209
210     @Override
211     public void gotPacket(PcapPacket packet) {
212         // Forward packet processing to the flow reassembler that in turn notifies the cluster matchers as appropriate
213         mFlowReassembler.gotPacket(packet);
214     }
215
216     @Override
217     public void onMatch(AbstractClusterMatcher clusterMatcher, List<PcapPacket> match) {
218         // TODO: a cluster matcher found a match
219         if (clusterMatcher instanceof Layer2ClusterMatcher) {
220             // Add the match at the corresponding index
221             mPendingMatches[mClusterMatcherIds.get(clusterMatcher)].add(match);
222             checkSignatureMatch();
223         }
224     }
225
226     public void addObserver(SignatureDetectorObserver observer) {
227         mObservers.add(observer);
228     }
229
230     public boolean removeObserver(SignatureDetectorObserver observer) {
231         return mObservers.remove(observer);
232     }
233
234
235     @SuppressWarnings("Duplicates")
236     private void checkSignatureMatch() {
237         // << Graph-based approach using Balint's idea. >>
238         // This implementation assumes that the packets in the inner lists (the sequences) are ordered by asc timestamp.
239
240         // There cannot be a signature match until each Layer3ClusterMatcher has found a match of its respective sequence.
241         if (Arrays.stream(mPendingMatches).noneMatch(l -> l.isEmpty())) {
242             // Construct the DAG
243             final SimpleDirectedWeightedGraph<Vertex, DefaultWeightedEdge> graph =
244                     new SimpleDirectedWeightedGraph<>(DefaultWeightedEdge.class);
245             // Add a vertex for each match found by all cluster matchers.
246             // And maintain an array to keep track of what cluster matcher each vertex corresponds to
247             final List<Vertex>[] vertices = new List[mPendingMatches.length];
248             for (int i = 0; i < mPendingMatches.length; i++) {
249                 vertices[i] = new ArrayList<>();
250                 for (List<PcapPacket> sequence : mPendingMatches[i]) {
251                     Vertex v = new Vertex(sequence);
252                     vertices[i].add(v); // retain reference for later when we are to add edges
253                     graph.addVertex(v); // add to vertex to graph
254                 }
255             }
256             // Add dummy source and sink vertices to facilitate search.
257             final Vertex source = new Vertex(null);
258             final Vertex sink = new Vertex(null);
259             graph.addVertex(source);
260             graph.addVertex(sink);
261             // The source is connected to all vertices that wrap the sequences detected by cluster matcher at index 0.
262             // Note: zero cost edges as this is just a dummy link to facilitate search from a common start node.
263             for (Vertex v : vertices[0]) {
264                 DefaultWeightedEdge edge = graph.addEdge(source, v);
265                 graph.setEdgeWeight(edge, 0.0);
266             }
267             // Similarly, all vertices that wrap the sequences detected by the last cluster matcher of the signature
268             // are connected to the sink node.
269             for (Vertex v : vertices[vertices.length-1]) {
270                 DefaultWeightedEdge edge = graph.addEdge(v, sink);
271                 graph.setEdgeWeight(edge, 0.0);
272             }
273             // Now link sequences detected by the cluster matcher at index i to sequences detected by the cluster
274             // matcher at index i+1 if they obey the timestamp constraint (i.e., that the latter is later in time than
275             // the former).
276             for (int i = 0; i < vertices.length; i++) {
277                 int j = i + 1;
278                 if (j < vertices.length) {
279                     for (Vertex iv : vertices[i]) {
280                         PcapPacket ivLast = iv.sequence.get(iv.sequence.size()-1);
281                         for (Vertex jv : vertices[j]) {
282                             PcapPacket jvFirst = jv.sequence.get(jv.sequence.size()-1);
283                             if (ivLast.getTimestamp().isBefore(jvFirst.getTimestamp())) {
284                                 DefaultWeightedEdge edge = graph.addEdge(iv, jv);
285                                 // The weight is the duration of the i'th sequence plus the duration between the i'th
286                                 // and i+1'th sequence.
287                                 Duration d = Duration.
288                                         between(iv.sequence.get(0).getTimestamp(), jvFirst.getTimestamp());
289                                 // Unfortunately weights are double values, so must convert from long to double.
290                                 // TODO: need nano second precision? If so, use d.toNanos().
291                                 // TODO: risk of overflow when converting from long to double..?
292                                 graph.setEdgeWeight(edge, Long.valueOf(d.toMillis()).doubleValue());
293                             }
294                             // Alternative version if we cannot assume that sequences are ordered by timestamp:
295 //                            if (iv.sequence.stream().max(Comparator.comparing(PcapPacket::getTimestamp)).get()
296 //                                    .getTimestamp().isBefore(jv.sequence.stream().min(
297 //                                            Comparator.comparing(PcapPacket::getTimestamp)).get().getTimestamp())) {
298 //
299 //                            }
300                         }
301                     }
302                 }
303             }
304             // Graph construction complete, run shortest-path to find a (potential) signature match.
305             DijkstraShortestPath<Vertex, DefaultWeightedEdge> dijkstra = new DijkstraShortestPath<>(graph);
306             GraphPath<Vertex, DefaultWeightedEdge> shortestPath = dijkstra.getPath(source, sink);
307             if (shortestPath != null) {
308                 // The total weight is the duration between the first packet of the first sequence and the last packet
309                 // of the last sequence, so we simply have to compare the weight against the timeframe that we allow
310                 // the signature to span. For now we just use the inclusion window we defined for training purposes.
311                 // Note however, that we must convert back from double to long as the weight is stored as a double in
312                 // JGraphT's API.
313                 if (((long)shortestPath.getWeight()) < mInclusionTimeMillis) {
314                     // There's a signature match!
315                     // Extract the match from the vertices
316                     List<List<PcapPacket>> signatureMatch = new ArrayList<>();
317                     for(Vertex v : shortestPath.getVertexList()) {
318                         if (v == source || v == sink) {
319                             // Skip the dummy source and sink nodes.
320                             continue;
321                         }
322                         signatureMatch.add(v.sequence);
323                         // As there is a one-to-one correspondence between vertices[] and pendingMatches[], we know that
324                         // the sequence we've "consumed" for index i of the matched signature is also at index i in
325                         // pendingMatches. We must remove it from pendingMatches so that we don't use it to construct
326                         // another signature match in a later call.
327                         mPendingMatches[signatureMatch.size()-1].remove(v.sequence);
328                     }
329                     // Declare success: notify observers
330                     mObservers.forEach(obs -> obs.onSignatureDetected(mSignature,
331                             Collections.unmodifiableList(signatureMatch)));
332                 }
333             }
334         }
335     }
336
337     /**
338      * Encapsulates a {@code List<PcapPacket>} so as to allow the list to be used as a vertex in a graph while avoiding
339      * the expensive {@link AbstractList#equals(Object)} calls when adding vertices to the graph.
340      * Using this wrapper makes the incurred {@code equals(Object)} calls delegate to {@link Object#equals(Object)}
341      * instead of {@link AbstractList#equals(Object)}. The net effect is a faster implementation, but the graph will not
342      * recognize two lists that contain the same items--from a value and not reference point of view--as the same
343      * vertex. However, this is fine for our purposes -- in fact restricting it to reference equality seems more
344      * appropriate.
345      */
346     private static class Vertex {
347         private final List<PcapPacket> sequence;
348         private Vertex(List<PcapPacket> wrappedSequence) {
349             sequence = wrappedSequence;
350         }
351     }
352 }