Adding PacketLevelSignatureExtractor.
[pingpong.git] / Code / Projects / PacketLevelSignatureExtractor / src / main / java / edu / uci / iotproject / analysis / TcpConversationUtils.java
diff --git a/Code/Projects/PacketLevelSignatureExtractor/src/main/java/edu/uci/iotproject/analysis/TcpConversationUtils.java b/Code/Projects/PacketLevelSignatureExtractor/src/main/java/edu/uci/iotproject/analysis/TcpConversationUtils.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..a4217cc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,464 @@
+package edu.uci.iotproject.analysis;
+
+import edu.uci.iotproject.trafficreassembly.layer3.Conversation;
+import edu.uci.iotproject.DnsMap;
+import edu.uci.iotproject.util.PcapPacketUtils;
+import org.pcap4j.core.PcapPacket;
+import org.pcap4j.packet.IpV4Packet;
+import org.pcap4j.packet.TcpPacket;
+
+import java.util.*;
+import java.util.stream.Collectors;
+import java.util.stream.Stream;
+
+import static edu.uci.iotproject.util.PcapPacketUtils.*;
+
+/**
+ * Utility functions for analyzing and structuring (sets of) {@link Conversation}s.
+ *
+ * @author Janus Varmarken {@literal <jvarmark@uci.edu>}
+ * @author Rahmadi Trimananda {@literal <rtrimana@uci.edu>}
+ */
+public class TcpConversationUtils {
+
+    /**
+     * Identifies the adjacency type of the signature for merging.
+     */
+    public enum SignaturePosition {
+        NOT_ADJACENT,
+        LEFT_ADJACENT,
+        RIGHT_ADJACENT
+    }
+
+    /**
+     * <p>
+     *      Given a {@link Conversation}, extract its set of "packet pairs", i.e., pairs of request-reply packets.
+     *      <em>The extracted pairs are formed from the full set of payload-carrying TCP packets.</em>
+     * </p>
+     *
+     * <b>Note:</b> in the current implementation, if one endpoint sends multiple packets back-to-back with no
+     * interleaved reply packets from the other endpoint, such packets are converted to one-item pairs (i.e., instances
+     * of {@link PcapPacketPair} where {@link PcapPacketPair#getSecond()} is {@code null}).
+     *
+     * @param conv The {@code Conversation} for which packet pairs are to be extracted.
+     * @return The packet pairs extracted from {@code conv}.
+     */
+    public static List<PcapPacketPair> extractPacketPairs(Conversation conv) {
+        return extractPacketPairs(conv.getPackets());
+    }
+
+
+    /**
+     * <p>
+     *      Given a {@link Conversation}, extract its set of "packet pairs", i.e., pairs of request-reply packets.
+     *      <em>The extracted pairs are formed from the full set of TLS Application Data packets.</em>
+     * </p>
+     *
+     * <b>Note:</b> in the current implementation, if one endpoint sends multiple packets back-to-back with no
+     * interleaved reply packets from the other endpoint, such packets are converted to one-item pairs (i.e., instances
+     * of {@link PcapPacketPair} where {@link PcapPacketPair#getSecond()} is {@code null}).
+     *
+     * @param conv The {@code Conversation} for which packet pairs are to be extracted.
+     * @return The packet pairs extracted from {@code conv}.
+     */
+    public static List<PcapPacketPair> extractTlsAppDataPacketPairs(Conversation conv) {
+        if (!conv.isTls()) {
+            throw new IllegalArgumentException(String.format("Provided %s argument is not a TLS session"));
+        }
+        return extractPacketPairs(conv.getTlsApplicationDataPackets());
+    }
+
+    // Helper method for implementing the public API of similarly named methods.
+    private static List<PcapPacketPair> extractPacketPairs(List<PcapPacket> packets) {
+        List<PcapPacketPair> pairs = new ArrayList<>();
+//        for(PcapPacket pp : packets) {
+//            System.out.print(pp.length() + " ");
+//        }
+//        System.out.println();
+
+        int i = 0;
+        while (i < packets.size()) {
+            PcapPacket p1 = packets.get(i);
+            String p1SrcIp = p1.get(IpV4Packet.class).getHeader().getSrcAddr().getHostAddress();
+            int p1SrcPort = p1.get(TcpPacket.class).getHeader().getSrcPort().valueAsInt();
+            if (i+1 < packets.size()) {
+                PcapPacket p2 = packets.get(i+1);
+                if (PcapPacketUtils.isSource(p2, p1SrcIp, p1SrcPort)) {
+                    // Two packets in a row going in the same direction -> create one item pair for p1
+                    pairs.add(new PcapPacketPair(p1, null));
+                    // Advance one packet as the following two packets may form a valid two-item pair.
+                    i++;
+                } else {
+                    // The two packets form a response-reply pair, create two-item pair.
+                    pairs.add(new PcapPacketPair(p1, p2));
+                    // Advance two packets as we have already processed the packet at index i+1 in order to create the pair.
+                    i += 2;
+                    //i++;
+                }
+            } else {
+                // Last packet of conversation => one item pair
+                pairs.add(new PcapPacketPair(p1, null));
+                // Advance i to ensure termination.
+                i++;
+            }
+        }
+        return pairs;
+        // TODO: what if there is long time between response and reply packet? Should we add a threshold and exclude those cases?
+    }
+
+    /**
+     * Given a collection of TCP conversations and associated DNS mappings, groups the conversations by hostname.
+     * @param tcpConversations The collection of TCP conversations.
+     * @param ipHostnameMappings The associated DNS mappings.
+     * @return A map where each key is a hostname and its associated value is a list of conversations where one of the
+     *         two communicating hosts is that hostname (i.e. its IP maps to the hostname).
+     */
+    public static Map<String, List<Conversation>> groupConversationsByHostname(Collection<Conversation> tcpConversations, DnsMap ipHostnameMappings) {
+        HashMap<String, List<Conversation>> result = new HashMap<>();
+        for (Conversation c : tcpConversations) {
+            if (c.getPackets().size() == 0) {
+                String warningStr = String.format("Detected a %s [%s] with no payload packets.",
+                        c.getClass().getSimpleName(), c.toString());
+                System.err.println(warningStr);
+                continue;
+            }
+            IpV4Packet firstPacketIp = c.getPackets().get(0).get(IpV4Packet.class);
+            String ipSrc = firstPacketIp.getHeader().getSrcAddr().getHostAddress();
+            String ipDst = firstPacketIp.getHeader().getDstAddr().getHostAddress();
+            // Check if src or dst IP is associated with one or more hostnames.
+            Set<String> hostnames = ipHostnameMappings.getHostnamesForIp(ipSrc);
+            if (hostnames == null) {
+                // No luck with src ip (possibly because it's a client->srv packet), try dst ip.
+                hostnames = ipHostnameMappings.getHostnamesForIp(ipDst);
+            }
+            if (hostnames != null) {
+                // Put a reference to the conversation for each of the hostnames that the conversation's IP maps to.
+                for (String hostname : hostnames) {
+                    List<Conversation> newValue = new ArrayList<>();
+                    newValue.add(c);
+                    result.merge(hostname, newValue, (l1, l2) -> { l1.addAll(l2); return l1; });
+                }
+                if (hostnames.size() > 1) {
+                    // Print notice of IP mapping to multiple hostnames (debugging)
+                    System.err.println(String.format("%s: encountered an IP that maps to multiple (%d) hostnames",
+                            TcpConversationUtils.class.getSimpleName(), hostnames.size()));
+                }
+            } else {
+                // If no hostname mapping, store conversation under the key that is the concatenation of the two IPs.
+                // In order to ensure consistency when mapping conversations, use lexicographic order to select which IP
+                // goes first.
+                String delimiter = "_";
+                // Note that the in case the comparison returns 0, the strings are equal, so it doesn't matter which of
+                // ipSrc and ipDst go first (also, this case should not occur in practice as it means that the device is
+                // communicating with itself!)
+                String key = ipSrc.compareTo(ipDst) <= 0 ? ipSrc + delimiter + ipDst : ipDst + delimiter + ipSrc;
+                List<Conversation> newValue = new ArrayList<>();
+                newValue.add(c);
+                result.merge(key, newValue, (l1, l2) -> { l1.addAll(l2); return l1; });
+            }
+        }
+        return result;
+    }
+
+    public static Map<String, Integer> countPacketSequenceFrequencies(Collection<Conversation> conversations) {
+        Map<String, Integer> result = new HashMap<>();
+        for (Conversation conv : conversations) {
+            if (conv.getPackets().size() == 0) {
+                // Skip conversations with no payload packets.
+                continue;
+            }
+            StringBuilder sb = new StringBuilder();
+            for (PcapPacket pp : conv.getPackets()) {
+                sb.append(pp.length() + " ");
+            }
+            result.merge(sb.toString(), 1, (i1, i2) -> i1+i2);
+        }
+        return result;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Collection} of {@link Conversation}s, builds a {@link Map} from {@link String} to {@link List}
+     * of {@link Conversation}s such that each key is the <em>concatenation of the packet lengths of all payload packets
+     * (i.e., the set of packets returned by {@link Conversation#getPackets()}) separated by a delimiter</em> of any
+     * {@link Conversation} pointed to by that key. In other words, what the {@link Conversation}s {@code cs} pointed to
+     * by the key {@code s} have in common is that they all contain exactly the same number of payload packets <em>and
+     * </em> these payload packets are identical across all {@code Conversation}s in {@code cs} in terms of packet
+     * length and packet order. For example, if the key is "152 440 550", this means that every individual
+     * {@code Conversation} in the list of {@code Conversation}s pointed to by that key contain exactly three payload
+     * packet of lengths 152, 440, and 550, and these three packets are ordered in the order prescribed by the key.
+     *
+     * @param conversations The collection of {@code Conversation}s to group by packet sequence.
+     * @param verbose If set to {@code true}, the grouping (and therefore the key) will also include SYN/SYNACK,
+     *                FIN/FINACK, RST packets, and each payload-carrying packet will have an indication of the direction
+     *                of the packet prepended.
+     * @return a {@link Map} from {@link String} to {@link List} of {@link Conversation}s such that each key is the
+     *         <em>concatenation of the packet lengths of all payload packets (i.e., the set of packets returned by
+     *         {@link Conversation#getPackets()}) separated by a delimiter</em> of any {@link Conversation} pointed to
+     *         by that key.
+     */
+    public static Map<String, List<Conversation>> groupConversationsByPacketSequence(Collection<Conversation> conversations, boolean verbose) {
+        return conversations.stream().collect(Collectors.groupingBy(c -> toSequenceString(c, verbose)));
+    }
+
+    public static Map<String, List<Conversation>> groupConversationsByTlsApplicationDataPacketSequence(Collection<Conversation> conversations) {
+        return conversations.stream().collect(Collectors.groupingBy(
+                c -> c.getTlsApplicationDataPackets().stream().map(p -> Integer.toString(p.getOriginalLength())).
+                        reduce("", (s1, s2) -> s1.length() == 0 ? s2 : s1 + " " + s2))
+        );
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation}, counts the frequencies of each unique packet length seen as part of the
+     * {@code Conversation}.
+     * @param c The {@code Conversation} for which unique packet length frequencies are to be determined.
+     * @return A mapping from packet length to its frequency.
+     */
+    public static Map<Integer, Integer> countPacketLengthFrequencies(Conversation c) {
+        Map<Integer, Integer> result = new HashMap<>();
+        for (PcapPacket packet : c.getPackets()) {
+            result.merge(packet.length(), 1, (i1, i2) -> i1 + i2);
+        }
+        return result;
+    }
+
+    /**
+     * Like {@link #countPacketLengthFrequencies(Conversation)}, but counts packet length frequencies for a collection
+     * of {@code Conversation}s, i.e., the frequency of a packet length becomes the total number of packets with that
+     * length across <em>all</em> {@code Conversation}s in {@code conversations}.
+     * @param conversations The collection of {@code Conversation}s for which packet length frequencies are to be
+     *                      counted.
+     * @return A mapping from packet length to its frequency.
+     */
+    public static Map<Integer, Integer> countPacketLengthFrequencies(Collection<Conversation> conversations) {
+        Map<Integer, Integer> result = new HashMap<>();
+        for (Conversation c : conversations) {
+            Map<Integer, Integer> intermediateResult = countPacketLengthFrequencies(c);
+            for (Map.Entry<Integer, Integer> entry : intermediateResult.entrySet()) {
+                result.merge(entry.getKey(), entry.getValue(), (i1, i2) -> i1 + i2);
+            }
+        }
+        return result;
+    }
+
+    public static Map<String, Integer> countPacketPairFrequencies(Collection<PcapPacketPair> pairs) {
+        Map<String, Integer> result = new HashMap<>();
+        for (PcapPacketPair ppp : pairs) {
+            result.merge(ppp.toString(), 1, (i1, i2) -> i1 + i2);
+        }
+        return result;
+    }
+
+    public static Map<String, Map<String, Integer>> countPacketPairFrequenciesByHostname(Collection<Conversation> tcpConversations, DnsMap ipHostnameMappings) {
+        Map<String, List<Conversation>> convsByHostname = groupConversationsByHostname(tcpConversations, ipHostnameMappings);
+        HashMap<String, Map<String, Integer>> result = new HashMap<>();
+        for (Map.Entry<String, List<Conversation>> entry : convsByHostname.entrySet()) {
+            // Merge all packet pairs exchanged during the course of all conversations with hostname into one list
+            List<PcapPacketPair> allPairsExchangedWithHostname = new ArrayList<>();
+            entry.getValue().forEach(conversation -> allPairsExchangedWithHostname.addAll(extractPacketPairs(conversation)));
+            // Then count the frequencies of packet pairs exchanged with the hostname, irrespective of individual
+            // conversations
+            result.put(entry.getKey(), countPacketPairFrequencies(allPairsExchangedWithHostname));
+        }
+        return result;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation}, extract its packet length sequence.
+     * @param c The {@link Conversation} from which a packet length sequence is to be extracted.
+     * @return An {@code Integer[]} that holds the packet lengths of all payload-carrying packets in {@code c}. The
+     *         packet lengths in the returned array are ordered by packet timestamp.
+     */
+    public static Integer[] getPacketLengthSequence(Conversation c) {
+        return getPacketLengthSequence(c.getPackets());
+    }
+
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation}, extract its packet length sequence, but only include packet lengths of those
+     * packets that carry TLS Application Data.
+     * @param c The {@link Conversation} from which a TLS Application Data packet length sequence is to be extracted.
+     * @return An {@code Integer[]} that holds the packet lengths of all packets in {@code c} that carry TLS Application
+     *         Data. The packet lengths in the returned array are ordered by packet timestamp.
+     */
+    public static Integer[] getPacketLengthSequenceTlsAppDataOnly(Conversation c) {
+        if (!c.isTls()) {
+            throw new IllegalArgumentException("Provided " + c.getClass().getSimpleName() + " was not a TLS session");
+        }
+        return getPacketLengthSequence(c.getTlsApplicationDataPackets());
+    }
+
+    /**
+     * Given a list of packets, extract the packet lengths and wrap them in an array such that the packet lengths in the
+     * resulting array appear in the same order as their corresponding packets in the input list.
+     * @param packets The list of packets for which the packet lengths are to be extracted.
+     * @return An array containing the packet lengths in the same order as their corresponding packets in the input list.
+     */
+    private static Integer[] getPacketLengthSequence(List<PcapPacket> packets) {
+        return packets.stream().map(pkt -> pkt.getOriginalLength()).toArray(Integer[]::new);
+    }
+
+    /**
+     * Builds a string representation of the sequence of packets exchanged as part of {@code c}.
+     * @param c The {@link Conversation} for which a string representation of the packet sequence is to be constructed.
+     * @param verbose {@code true} if set to true, the returned sequence string will also include SYN/SYNACK,
+     *                FIN/FINACK, RST packets, as well as an indication of the direction of payload-carrying packets.
+     * @return a string representation of the sequence of packets exchanged as part of {@code c}.
+     */
+    private static String toSequenceString(Conversation c, boolean verbose) {
+        // Payload-parrying packets are always included, but only prepend direction if verbose output is chosen.
+        Stream<String> s = c.getPackets().stream().map(p -> verbose ? c.getDirection(p).toCompactString() + p.getOriginalLength() : Integer.toString(p.getOriginalLength()));
+        if (verbose) {
+            // In the verbose case, we also print SYN, FIN and RST packets.
+            // Convert the SYN packets to a string representation and prepend them in front of the payload packets.
+            s = Stream.concat(c.getSynPackets().stream().map(p -> isSyn(p) && isAck(p) ? "SYNACK" : "SYN"), s);
+            // Convert the FIN packets to a string representation and append them after the payload packets.
+            s = Stream.concat(s, c.getFinAckPairs().stream().map(f -> f.isAcknowledged() ? "FINACK" : "FIN"));
+            // Convert the RST packets to a string representation and append at the end.
+            s = Stream.concat(s, c.getRstPackets().stream().map(r -> "RST"));
+        }
+        /*
+         * Note: the collector internally uses a StringBuilder, which is more efficient than simply doing string
+         * concatenation as in the following example:
+         * s.reduce("", (s1, s2) -> s1.length() == 0 ? s2 : s1 + " " + s2);
+         * (above code is O(N^2) where N is the number of characters)
+         */
+        return s.collect(Collectors.joining(" "));
+    }
+
+    /**
+     * Set of port numbers that we consider TLS traffic.
+     * Note: purposefully initialized as a {@link HashSet} to get O(1) {@code contains()} call.
+     */
+    private static final Set<Integer> TLS_PORTS = Stream.of(443, 8443, 41143).
+            collect(Collectors.toCollection(HashSet::new));
+
+    /**
+     * Check if a given port number is considered a TLS port.
+     * @param port The port number to check.
+     * @return {@code true} if the port number is considered a TLS port, {@code false} otherwise.
+     */
+    public static boolean isTlsPort(int port) {
+        return TLS_PORTS.contains(port);
+    }
+
+    /**
+     * Appends a space to {@code sb} <em>iff</em> {@code sb} already contains some content.
+     * @param sb A {@link StringBuilder} that should have a space appended <em>iff</em> it is not empty.
+     */
+    private static void appendSpaceIfNotEmpty(StringBuilder sb) {
+        if (sb.length() != 0) {
+            sb.append(" ");
+        }
+    }
+
+    /**
+     * Given a list of {@link Conversation} objects, sort them by timestamps.
+     * @param conversations The list of {@link Conversation} objects to be sorted.
+     * @return A sorted list of {@code Conversation} based on timestamps of the first
+     *          packet in the {@code Conversation}.
+     */
+    public static List<Conversation> sortConversationList(List<Conversation> conversations) {
+        // Get rid of Conversation objects with no packets.
+        conversations.removeIf(x -> x.getPackets().size() == 0);
+        // Sort the list based on the first packet's timestamp!
+        Collections.sort(conversations, (c1, c2) ->
+                c1.getPackets().get(0).getTimestamp().compareTo(c2.getPackets().get(0).getTimestamp()));
+        return conversations;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@code List} of {@link Conversation} objects, find one that has the given {@code List}
+     * of {@code PcapPacket}.
+     * @param conversations The {@code List} of {@link Conversation} objects as reference.
+     * @param ppList The {@code List} of {@code PcapPacket} objects to search in the {@code List} of {@link Conversation}.
+     * @return A {@code Conversation} that contains the given {@code List} of {@code PcapPacket}.
+     */
+    public static Conversation returnConversation(List<PcapPacket> ppList, List<Conversation> conversations) {
+        // TODO: This part of comparison takes into account that the list of conversations is not sorted
+        // TODO: We could optimize this to have a better performance by requiring a sorted-by-timestamp list
+        // TODO:    as a parameter
+        // Find a Conversation that ppList is part of
+        for (Conversation c : conversations) {
+            // Figure out if c is the Conversation that ppList is in
+            if (isPartOfConversation(ppList, c)) {
+                return c;
+            }
+        }
+        // Return null if not found
+        return null;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation} objects, check if {@code List} of {@code PcapPacket} is part of it and return the
+     * adjacency label based on {@code SignaturePosition}.
+     * @param conversation The {@link Conversation} object as reference.
+     * @param ppListFirst The first {@code List} of {@code PcapPacket} objects in the {@link Conversation}.
+     * @param ppListSecond The second {@code List} of {@code PcapPacket} objects in the {@link Conversation} whose
+     *                     position will be observed in the {@link Conversation} with respect to ppListFirst.
+     * @return A {@code SignaturePosition} that represents the position of the signature against another signature
+     *          in a {@link Conversation}.
+     */
+    public static SignaturePosition isPartOfConversationAndAdjacent(List<PcapPacket> ppListFirst,
+                                                                    List<PcapPacket> ppListSecond,
+                                                                    Conversation conversation) {
+        // Take the first element in ppList and compare it
+        // The following elements in ppList are guaranteed to be in the same Conversation
+        // TODO: This part of comparison takes into account that the list of conversations is not sorted
+        // TODO: We could optimize this to have a better performance by requiring a sorted-by-timestamp list
+        // TODO:    as a parameter
+        if (isPartOfConversation(ppListSecond, conversation)) {
+            // Compare the first element of ppListSecond with the last element of ppListFirst to know
+            // whether ppListSecond is RIGHT_ADJACENT relative to ppListFirst.
+            PcapPacket lastElOfFirstList = ppListFirst.get(ppListFirst.size() - 1);
+            PcapPacket firstElOfSecondList = ppListSecond.get(0);
+            // If the positions of the two are in order, then they are adjacent.
+            int indexOfLastElOfFirstList = returnIndexInConversation(lastElOfFirstList, conversation);
+            int indexOfFirstElOfSecondList = returnIndexInConversation(firstElOfSecondList, conversation);
+            if(indexOfLastElOfFirstList + 1 == indexOfFirstElOfSecondList) {
+                return SignaturePosition.RIGHT_ADJACENT;
+            }
+            // NOT RIGHT_ADJACENT, so check for LEFT_ADJACENT.
+            // Compare the first element of ppListRight with the last element of ppListSecond to know
+            // whether ppListSecond is LEFT_ADJACENT relative to ppListFirst.
+            PcapPacket firstElOfFirstList = ppListFirst.get(0);
+            PcapPacket lastElOfSecondList = ppListSecond.get(ppListSecond.size() - 1);
+            // If the positions of the two are in order, then they are adjacent.
+            int indexOfFirstElOfFirstList = returnIndexInConversation(firstElOfFirstList, conversation);
+            int indexOfLastElOfSecondList = returnIndexInConversation(lastElOfSecondList, conversation);
+            if(indexOfLastElOfSecondList + 1 == indexOfFirstElOfFirstList) {
+                return SignaturePosition.LEFT_ADJACENT;
+            }
+        }
+        // Return NOT_ADJACENT if not found.
+        return SignaturePosition.NOT_ADJACENT;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation} objects, check if {@code List} of {@code PcapPacket} is part of it.
+     * @param conversation The {@link Conversation} object as reference.
+     * @param ppList The {@code List} of {@code PcapPacket} objects to search in the {@link Conversation}.
+     * @return A {@code Boolean} value that represents the presence of the {@code List} of {@code PcapPacket} in
+     *         the {@link Conversation}.
+     */
+    private static boolean isPartOfConversation(List<PcapPacket> ppList, Conversation conversation) {
+        // Find the first element of ppList in conversation.
+        if (conversation.getPackets().contains(ppList.get(0)))
+            return true;
+        // Return false if not found.
+        return false;
+    }
+
+    /**
+     * Given a {@link Conversation} objects, check the index of a {@code PcapPacket} in it.
+     * @param conversation The {@link Conversation} object as reference.
+     * @param pp The {@code PcapPacket} object to search in the {@link Conversation}.
+     * @return An {@code Integer} value that gives the index of the {@code PcapPacket} in the {@link Conversation}.
+     */
+    private static int returnIndexInConversation(PcapPacket pp, Conversation conversation) {
+        // Find pp in conversation.
+        if (conversation.getPackets().contains(pp))
+            return conversation.getPackets().indexOf(pp);
+        // Return -1 if not found.
+        return -1;
+    }
+}