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从一篇文章入门Windows驱动程序(一)

 

从一篇文章入门Windows驱动程序(一)

0x1 背景

笔者在学习中发现,关于Windows驱动编程的文章多不胜数,但是其中很多文章的内容繁杂不便于了解与学习,缺少对内容精准的概括与总结,所以本篇文章将对Windows驱动编程进行一次总结性介绍。文章将分为两个部分,分别是对NT驱动和WDM驱动的介绍,同时为了读者能够更好地学习Windows驱动编程,在文章开头将先介绍在内核模式下编程的基础知识。

0x2 相关基础

(内核相关)

a.内核模式和用户模式

内核模式和用户模式是操作系统的两种运行级别。内核模式:操作系统的核心代码运行在特权模式下。与之相对应的,应用程序运行在非特权模式下为用户模式。

我们都知道在用户模式下,一个进程拥有windows专供的句柄表和虚拟地址空间,形象一点来说就是windows为进程提供了一个密闭的个人房间(这个房间位于低32位的内存空间里,用户空间),进程可以在房间里自行其是二不会干扰到其他的进程。在内核模式下,所有的代码都共享一个房间(位于高32位的内存空间里,内核空间),这个房间受到硬件的保护,ring0层的代码才可以访问这个内存空间,ring3层的代码想访问这个内存空间时,一般都需要操作系统提供的入口(int 0x2e、iret组合或者sysenter、sysexit组合)来让CPU进入内核。

学习这部分内容的时候,可能可能会有一个疑问,那么什么是实模式、保护模式?(笔者一开始的时候将这四种模式混淆)实际上与用户模式和内核模式不同,实模式和保护模式是另外一种概念了。实模式和保护模式是内存的两种形式,二者最大的区别是寻址范围,保护模式是32位内存寻址,可以访问4G的内存空间,实模式是20位寻址,只能访问1M的内存空间,另外保护模式保证进程间的地址空间不会冲突,也就是一个进程没有办法访问另外一个进程地址空间的数据。

b.系统调用

我们来看一下应用程序和内核之间的联系:

从一篇文章入门Windows驱动程序(一)

这幅图的中央是Win32子系统,子系统的概念可以理解为Windows为兼容其他操作系统的程序所服务的。而Win32子系统是最纯正的Windows子系统,它为Windwos提供了大量的API。

从图上可以看到在用户模式里,程序员通过调用NativeAPI操作Windows内核,实现系统调用。Native API 是指以二进制方式,函式库 (DLL) 直接开放的应用程式开发接口 (API,Application Programming Interface)可以直接由 C/C++ 来呼叫存取使用,一般的Native API的函数都是在Win32API上加上Nt两个字母。所有的NativeAPI都是在Ntdll.dll中实现的。下面我们通过ReadFile函数来详细说明系统调用(详细的可以参考《Windows内核情景分析——采用开源代码ReactOS》)。

在用户模式下,应用程序调用了ReadFile()函数,实际上在ReadFile()(根据ReactOS所提供的代码)内部有一个函数NTReadFile()。

ReadFile()

{

...

Status = NTReadFile();

...

}

NTReadFile是一个系统调用(操作系统的内核所提供的可供应用程序调用的函数),NTReadFile实现在ntoskrnl.exe。其实ReadFile函数内部并不是只是单单调用了NTReadFile(),在用户空间的函数库中还有一个叫做NTReadFile的函数,这个函数内部的内容与其函数的实际的意义有所不同,大体上这个函数通过sysenter指令进入内核,并将NTReadFile的系统调用号压入堆栈,让内核调用此函数。

(驱动相关)

a.驱动对象和设备对象

首先解释一下对象的概念,虽然说Windows内核采用面向对象的编程模式,实际上这里的对象并不等同与面向对象编程里的对象,在Windows内核中,确切的来说对象实际上就是带了很多”附加信息“数据结构。

驱动对象:一个驱动对象就对应一个驱动程序,在Windows中加载这样一个结构,实际上时告诉系统需要提供哪些东西。

typedef struct _DRIVER_OBJECT {

// 结构的类型和大小。

CSHORT Type;

CSHORT Size;

/* 设备对象的指针,注意这里实际上是一个设备对象的链表的开始。

一个驱动程序可以拥有多个设备对象,并且这些对象用链表的形式连接起来。*/

PDEVICE_OBJECT DeviceObject;

……

// 驱动的名字

UNICODE_STRING DriverName;

……

// 快速 IO分发函数

PFAST_IO_DISPATCH FastIoDispatch;

……

// 驱动的卸载函数

PDRIVER_UNLOAD DriverUnload;

// 普通分发函数

PDRIVER_DISPATCH MajorFunction[IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION + 1];

} DRIVER_OBJECT;

设备对象:这里我们可以类比为windowsGUI编程中的窗口,任何消息都发送给窗口,窗口也是唯一用来消息的东西,而设备对象也是唯一用来接收设备请求的实体。

typedef struct DECLSPEC_ALIGN(MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT) _DEVICE_OBJECT

{

CSHORT Type;

USHORT Size;

// 引用计数,当引用计数为0的时候此对象被销毁

ULONG ReferenceCount;

// 这个设备所属的驱动对象

struct _DRIVER_OBJECT *DriverObject;

// 下一个设备对象。在一个驱动对象中有n 个设备,这些设备用这个指针连接

// 起来作为一个单向的链表。

struct _DEVICE_OBJECT *NextDevice;

// 设备类型

DEVICE_TYPE DeviceType;

// IRP栈大小

HAR StackSize;

……

}DEVICE_OBJECT;

b.IRP:

首先先介绍一下I/O管理器,I/O管理器通过一系列内核模式下的例程发起I/O请求,并且为用户模式下的进程提供了统一的接口。IRP是一种请求的形式。

IRP(I/O Request Pcaket)。驱动与驱动之间,驱动与用户层之间都是直接或者间接通过IRP进行通讯的。IRP的结构相当复杂(限于篇幅的原因,本文章只介绍几个常用的关键成员),具体由两部分组成:头部区域和I/O堆栈(IO_STACK_LOCATIONS)。

头部区域是一个IRP结构。I/O堆栈则是一个IO_STACK_LOCATIONS的结构体数组,这个数组的大小由IoAllocateIrp创建IRP时所决定。

PIRP IoAllocateIrp(

_In_ CCHAR StackSize, //决定IO_STACK_LOCATION的大小

_In_ BOOLEAN ChargeQuota

);

通过前面介绍,我们知道驱动对象会创建一个又一个的设备对象,这些设备对象通过链表的数据结构堆叠成一个垂直的结构,这个结构被称为设备栈。IRP会被操作系统送到栈顶。然后通过设备堆栈一层一层向下转发处理,直至这次I/O请求结束。

IRP结构中有一个IoStatus成员,驱动程序在最终完成请求时设置这个结构。IoStatus中还包含了两个域:Status、Information。前者的作用会收到一个NTSTATUS,后者的信息值取决于具体的IRP类型和请求完成的状态。

0x3 驱动编程。

驱动程序分为两类:NT驱动程序,WDM驱动程序(支持即插即用)(在Vista之后微软推出了WDF驱动模型,它理解为是对WDM模型的一种升级,相比较与WDM,WDF模型中关于电源,PnP等相关的复杂操作都由微软实现,在《寒江独钓——Windows内核安全编程》中有对驱动程序做了很好的分类,将NT、WDM归类于传统型驱动,而使用WDF相关内核函数的驱动为WDF驱动)。

驱动程序的编程其实并不难,简单来说就是API的调用,类似于windows编程。提醒一点虽然驱动程序的编写用的也是C/C++,但是在编程中不能使用C的运行时函数(内核模式下是不能调用用户模式的API的)。对应不同的设备,驱动的编写人员可能还需要知道一些设备的协议。另外由于驱动程序是在Ring0权限下执行的,所以编程中出现的差错可能会直接影响到操作系统导致系统的崩溃(蓝屏),所以在编写Windows驱动程序的时候,需要WinDbg的联机调试,具体的方法网上有很多的教程可供参考,这里就不再赘述。

驱动程序的编写流程(以下的代码是使用《Windows驱动开发技术详解》内的改动后的代码、部分函数的说明来自MSDN):

驱动程序和普通的win32程序一样都有一个程序的入口点(win32程序是WINMAIN),驱动程序的入口是DriverEtry,在C++编译的时候要加上extern “C”,extern "C"的用处是让C++可以和其他语言混合使用。

NTSTATUS DriverEntry(

IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,

IN PUNICODE_STRING RegistryPath

)

{}

DriverEntry主要作用是对驱动程序进行初始化工作,它是由系统进程所调用的。DriverEntry的返回值是NTSTATUS,这是一个是被定义为32位的无符号长整形。不同的值对应不同的返回状态。DriverObject是一个驱动对象的指针,RegistryPath是一个指向设备服务器键键名的字符串指针;在DriverEntry函数中,一般设置卸载例程数和IRP的派遣函数,另外还有一部分代码负责创建设备对象。设置卸载例程和设置派遣函数都是对驱动对象的的设置。

extern "C" NTSTATUS DriverEntry (IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject,

IN PUNICODE_STRING pRegistryPath)

{

NTSTATUS status;

DbgPrint(("Wlcome to A Driver!/n"));

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFun8ction[IRP_MJ_WRITE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->DriverUnload = FirstDriverUnload;

//创建驱动设备对象

status = DriverCreateDevice(pDriverObject);

DbgPrint(("See you Again!I'm Kr0net/n"));

return status;

}

DriverEntry内部有一个函数DriverCreateDevice(),这是实际是一个自定义的函数,在其内部实现了相关功能,它传入驱动对象的指针。

来看DriverCreateDevice函数,实际上可以直接将这个函数的内容放在DriveEntry函数里。

NTSTATUS DriverCreateDevice (IN PDRIVER_OBJECTpDriverObject)

{

NTSTATUS status;

PDEVICE_OBJECT pDevObj;

PDEVICE_EXTENSION pDevExt;

//创建设备名称

UNICODE_STRING devName;

RtlInitUnicodeString(&devName,L"//Device//MyFirstDevice");

//创建设备

status = IoCreateDevice( pDriverObject,

sizeof(DEVICE_EXTENSION),

&(UNICODE_STRING)devName,

FILE_DEVICE_UNKNOWN,

0, TRUE,

&pDevObj );

if (!NT_SUCCESS(status)

{

DbgPrint(("CreateDevice Unsuccess!"));

return status;

}

pDevObj->Flags |= DO_BUFFERED_IO;

pDevExt = (PDEVICE_EXTENSION)pDevObj->DeviceExtension;

pDevExt->pDevice = pDevObj;

pDevExt->ustrDeviceName = devName;

//创建符号链接

UNICODE_STRING symLinkName;

RtlInitUnicodeString(&symLinkName,L"//??//FirstDriver");

pDevExt->ustrSymLinkName = symLinkName;

status = IoCreateSymbolicLink( &symLinkName,&devName );

if (!NT_SUCCESS(status))

{

IoDeleteDevice( pDevObj );

return status;

}

return STATUS_SUCCESS;

}

CreateDevice函数看起来还算很大,我们分开来看

首先:

创建设备名称,这里要注意的是字符串必须是“/Device/[设备名]”的形式。RtlnitUnicodeString()函数是对一个Unicode字符的初始化。

接下来:

IoCreateDevice()创建设备

NTSTATUS IoCreateDevice

(

IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, //一个指向调用该函数的驱动程序对象.每一个驱动程序在它的DriverEntry过程里接收一个指向它的驱动程序对象

IN ULONG DeviceExtensionSize,

IN PUNICODE_STRING DeviceNameOPTIONAL,

IN DEVICE_TYPE DeviceType, //设备类型

IN ULONG DeviceCharacteristics, //设备特征

IN BOOLEAN Exclusive,

OUT PDEVICE_OBJECT *DeviceObject //一个指向DEVICE_OBJECT结构体指针的指针,这是一个指针的指针,指向的指针用来接收DEVICE_OBJECT结构体的指针

);

~:

我们会注意到这个函数开头所定义的一个指针pDevExt,这是一个DVICE_EXTENSION结构的指针,也就是设备扩展。

什么是设备扩展?

设备扩展主要用来维护设备状态信息、存储驱动程序使用的内核对象或系统资源(如自旋锁)、保存驱动程序需要的数据等。由于大多数的总线驱动、功能驱动和过滤 器驱动都要工作在任意线程上下文,即任意线程都可能成为当前线程,所以,设备扩展是保存设备状态信息和数据的主要空间。(实际上设备扩展就是用来保存一些设备其他的信息的,这个结构的内容根据每个驱动程序的需要,由程序员自己定义)

typedef struct _DEVICE_EXTENSION {

PDEVICE_OBJECT pDevice;

UNICODE_STRING ustrDeviceName; //设备名称

UNICODE_STRING ustrSymLinkName; //符号链接名

} DEVICE_EXTENSION, *PDEVICE_EXTENSION;

最后

IoCreateSysbolicLink()创建符号链接,这里可能会有疑问,之前创建了设备名为什么这里还要创建符号链接。原因是这样,设备名只能被内核模式下的其他驱动识别,用户模式下的应用程序就无法识别这个设备。符号链接的作用就是让用户空间的应用程序也能够识别。

在应用程序中使用符号链接打开设备:CreateFile()、OpenFile()的系统调用时NTCreateFile()和NTOpenFile(),为内核创建新的对象类型时上述的函数就是通用方法。应用程序在打开和关闭一个设备的时候,操作系统就会发出IRP,并将个IRP送到指定的派遣函数当中。

// ConsoleApplication2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。

//

#include

#include

int main()

{

HANDLE hDevice = CreateFile("////.//FistDriver",

GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,

0,

NULL,

OPEN_EXISTING,

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,

NULL

);

if (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE)

{

printf("Failed To Open A Driver.ERROR:%d", GetLastError());

return -1;

}

CloseHandle(hDevice);

return 0;

}

再次回到DriverEntry函数,实际上这个函数最明显的就是这一段:

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = FirstDriverRoutine;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = FirstDriverRoutine;

这一段就是对IRP派遣函数的设置,MajorFunction[]这个是一个函数指针数组,这个数组最多有0x1b个成员,相对应有27个不同派遣例程的函数,IRP_MJ_CREATE这些数组下标表示的是IRP的主功能号,用来标识IRP的功能大类。

#define IRP_MJ_CREATE 0x00

#define IRP_MJ_CLOSE 0x02

#define IRP_MJ_READ 0x03

#define IRP_MJ_WRITE 0x04

为了方便理解,这里所有派遣函数都设置为FirstDriverRoutine。

NTSTATUS FirstDriverRoutine(IN PDEVICE_OBJECT pDevObj,IN PIRP pIrp)

{

KdPrint(("Welcome to FirstDriverRoutine/n"));

NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;

// 完成IRP

pIrp->IoStatus.Status = status;

pIrp->IoStatus.Information = 0;

IoCompleteRequest( pIrp, IO_NO_INCREMENT );

DbgPrint(("Leave FirstDriverRoutine/n"));

return status;

}

FirstDriverRoutine的作用是:打印一些log,设置irp完成状态,调用IoCompleteRequest函数来完成这个IRP。

至此一个简单的驱动程序完成。

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