驅動篇——核心程式設計基礎

寂靜的羽夏發表於2021-11-03
程式設計

寫在前面

  此係列是本人一個字一個字碼出來的，包括示例和實驗截圖。由於系統核心的複雜性，故可能有錯誤或者不全面的地方，如有錯誤，歡迎批評指正，本教程將會長期更新。 如有好的建議，歡迎反饋。碼字不易，如果本篇文章有幫助你的，如有閒錢，可以打賞支援我的創作。如想轉載，請把我的轉載資訊附在文章後面，並宣告我的個人資訊和本人部落格地址即可，但必須事先通知我。

你如果是從中間插過來看的，請仔細閱讀 羽夏看Win系統核心——簡述 ，方便學習本教程。

  看此教程之前，問個問題，你明確學驅動的目的了嗎？你的開發環境準備好了嗎？上一節的內容學會了嗎？ 沒有的話就不要繼續了，請重新學習前面驅動篇的教程內容繼續。

 

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核心 API 的使用

  在應用層程式設計我們可以使用WINDOWS提供的各種API函式，只要匯入標頭檔案windows.h就可以了。但是在核心程式設計的時候，微軟為核心程式提供了專用的API，只要在程式中包含相應的標頭檔案就可以使用了，如：#include <ntddk.h>，前提你必須安裝了WDK。
  遇到不會的函式或者不知道如何使用函式怎麼辦？在應用層程式設計的時候，我們通過MSDN來了解函式的詳細資訊，在核心程式設計的時候，要使用WDK自己的幫助文件。
  然而WDK說明文件中只包含了核心模組匯出的函式，對於未匯出的函式，則不能直接使用。如果要使用未匯出的函式，只要自己定義一個函式指標，並且為函式指標提供正確的函式地址就可以使用了。有兩種辦法都可以獲取為匯出的函式地址：特徵碼搜尋和解析核心PDB檔案。對於第一種方法，每個函式不可能是一模一樣的，它們的硬編碼具有不同的特徵，通過這個特定的獨一無二的硬編碼可以搜到我想要的函式。對於最後一種方法，我們思考一下WinDbg為什麼那麼強大。為什麼WinDbg可以輕鬆分析一些結構體，或者函式名稱？本質原因它有符號檔案並且能夠解析它，也就是PDB檔案。也就是為什麼我們之前要為它配備符號檔案路徑。

驅動基本資料型別

  在核心程式設計的時候，強烈建議大家遵守WDK的編碼習慣，建議不要這樣寫：unsigned long length;，建議這樣寫：ULONG length。
  如下是WDK習慣與我們常規的習慣：

WDK 習慣 SDK 習慣
ULONG unsigned long
PULONG unsigned long*
UCHAR unsigned char
PUCHAR unsigned char*
UINT unsigned int
PUNIT unsigned int*
VOID void
PVOID void*

函式返回值

  大部分核心函式的返回值都是NTSTATUS型別，如：

NTSTATUS PsCreateSystemThread();
NTSTATUS ZwOpenProcess();
NTSTATUS ZwOpenEvent();

  這個值能說明函式執行的結果，比如：

#define STATUS_SUCCESS 0x00000000    //成功
#define STATUS_INVALID_PARAMETER 0xC000000D    //引數無效
#define STATUS_BUFFER_OVERFLOW 0x80000005    //緩衝區長度不夠

  當你呼叫的核心函式，如果返回的結果不是STATUS_SUCCESS，就說明函式執行中遇到了問題，具體是什麼問題，可以在ntstatus.h檔案中檢視。

核心異常處理

  在核心中，一個小小的錯誤就可能導致藍屏，比如：讀寫一個無效的記憶體地址。為了讓自己的核心程式更加健壯，強烈建議大家在編寫核心程式時，使用異常處理，降低藍屏的可能性。不過錯誤大了該藍屏的還是藍屏。
  Windows提供了結構化異常處理機制，一般的編譯器都是支援的，如下：

__try{
    //可能出錯的程式碼
}
__except(filter_value) {
    //出錯時要執行的程式碼
}

  出現異常時，可根據filter_value的值來決定程式該如果執行，當filter_value的值為：
1️⃣ EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER(1)：程式碼進入except塊
2️⃣ EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH(0)：不處理異常，由上一層呼叫函式處理
3️⃣ EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION(-1)：回去繼續執行錯誤處的程式碼

常用的核心記憶體函式

  對記憶體的使用，主要就是：申請、設定、拷貝以及釋放。我們在編寫3環的應用程式和核心對應的函式舉例如下，具體使用請檢視MSDN和WDK的幫助文件：

普通程式 核心中
malloc ExAllocatePool2
memset RtlFillMemory
memcpy RtlMoveMemory
free ExFreePool

  當然malloc對應的核心函式有很多，但是有很多已經被廢棄掉了，下面是函式說明：

  ExAllocatePool is obsolete and has been deprecated in Windows 10, version 2004. It has been replaced by ExAllocatePool2. For more information, see Updating deprecated > ExAllocatePool calls to ExAllocatePool2 and ExAllocatePool3.
  When developing drivers for version of Windows prior to Windows 10, version 2004, use ExAllocatePoolZero.

核心字串

  在編寫3環程式我們經常用：CHAR(char)/WCHAR(wchar_t)來分別表示宅字串和寬字串，用0表示結尾。但是在核心中，我們常用：ANSI_STRING/UNICODE_STRING來分別表示宅字串和寬字串。它們的結構如下：
  ANSI_STRING字串：

typedef struct _STRING
{
    USHORT Length;
    USHORT MaximumLength;
    PCHAR Buffer;
}STRING;

  UNICODE_STRING字串：

typedef struct _UNICODE_STRING
{
    USHORT Length;
    USHORT MaxmumLength;
    PWSTR Buffer;
} UNICODE_STRING;

  為什麼核心要用這樣的字串呢？主要是為了安全考慮。我們初學C語言的時候經常列印出燙燙燙之類的字串，那是因為它列印沒用0結尾的字串的結果。如果核心出現了這個問題，很容易導致藍屏。故使用改結構體保證安全性。當然，處理這樣的字串核心就有專門處理的函式，接下來我將繼續介紹。

核心字串常用函式

  字串常用的功能無非就是：建立、複製、比較以及轉換等等。它們的函式如下，具體使用請檢視WDK的幫助文件：

ANSI_STRING UNICODE_STRING
RtlInitAnsiString RtlInitUnicodeString
RtlCopyString RtlCopyUnicodeString
RtlCompareString RtlCompareUnicoodeString
RtlAnsiStringToUnicodeString RtlUnicodeStringToAnsiString

程式碼細節解析

  上一篇教程我們用了一段程式碼，用來測試驅動是否能夠載入並執行，下面我們就來解析它，上次使用的程式碼如下：

#include <ntddk.h>

NTSTATUS UnloadDriver(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    DbgPrint("Chapter Driver By WingSummer,Unloaded Successfully!");
}

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
    DbgPrint("Chapter Driver By WingSummer,Loaded Successfully!");
    DriverObject->DriverUnload = UnloadDriver;

    return STATUS_SUCCESS;
}

DriverEntry

  DriverEntry是驅動程式的入口，如果驅動載入成功後，就像Dll載入成功呼叫DllMain函式一樣，呼叫該函式。

PDRIVER_OBJECT

  是指向DRIVER_OBJECT結構體的指標。一個驅動檔案被載入後，它的完整資訊將會返回給我們。我們來看看DRIVER_OBJECT這個結構體存了什麼，下面是標頭檔案裡面的定義：

typedef struct _DRIVER_OBJECT {
    CSHORT Type;
    CSHORT Size;

    PDEVICE_OBJECT DeviceObject;
    ULONG Flags;

    PVOID DriverStart;
    ULONG DriverSize;
    PVOID DriverSection;
    PDRIVER_EXTENSION DriverExtension;

    UNICODE_STRING DriverName;
    PUNICODE_STRING HardwareDatabase;
    PFAST_IO_DISPATCH FastIoDispatch;

    PDRIVER_INITIALIZE DriverInit;
    PDRIVER_STARTIO DriverStartIo;
    PDRIVER_UNLOAD DriverUnload;
    PDRIVER_DISPATCH MajorFunction[IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION + 1];

} DRIVER_OBJECT;

  既然是講解基礎，我們就挑最重要的幾個來講解。不過為了方便學習驅動，我們對上面的程式碼進行小小的修改：

#include <ntddk.h>

NTSTATUS UnloadDriver(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    DbgPrint("Chapter Driver By WingSummer,Unloaded Successfully!");
}

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
    DbgPrint("Chapter Driver By WingSummer,Loaded Successfully!");

    DriverObject->DriverUnload = UnloadDriver;
    DbgPrint("addr: %p", DriverObject);

    return STATUS_SUCCESS;
}

  然後編譯，讓虛擬機器載入這個驅動。如下圖所示，然後我們得到了它的首地址：

驅動篇——核心程式設計基礎

  然後我們再dt一下：

kd> dt _DRIVER_OBJECT 89B7FA20
ntdll!_DRIVER_OBJECT
   +0x000 Type             : 0n4
   +0x002 Size             : 0n168
   +0x004 DeviceObject     : (null)
   +0x008 Flags            : 0x12
   +0x00c DriverStart      : 0xbab50000 Void
   +0x010 DriverSize       : 0x6000
   +0x014 DriverSection    : 0x89936678 Void
   +0x018 DriverExtension  : 0x89b7fac8 _DRIVER_EXTENSION
   +0x01c DriverName       : _UNICODE_STRING "\Driver\HelloDriver"
   +0x024 HardwareDatabase : 0x80671ae0 _UNICODE_STRING "\REGISTRY\MACHINE\HARDWARE\DESCRIPTION\SYSTEM"
   +0x028 FastIoDispatch   : (null)
   +0x02c DriverInit       : 0xbab54000     long  HelloDriver!GsDriverEntry+0
   +0x030 DriverStartIo    : (null)
   +0x034 DriverUnload     : 0xbab51040     void  HelloDriver!UnloadDriver+0
   +0x038 MajorFunction    : [28] 0x804f454a     long  nt!IopInvalidDeviceRequest+0

DriverStart

  驅動物件載入後的起始地址。

DriverSize

  驅動物件載入後的記憶體大小。

DriverSection

  它是一個儲存目前所有已載入的驅動程式資訊相關的LDR_DATA_TABLE_ENTRY結構體的雙向迴圈連結串列。通過這個東西來實現把它們全部串起來，通過這個我們也可以進行遍歷。我們通過WinDbg來看看。我們先dt一下我們自己編寫的驅動的DriverSection：

kd> dt _LDR_DATA_TABLE_ENTRY 0x89936678
ntdll!_LDR_DATA_TABLE_ENTRY
   +0x000 InLoadOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0x80554fc0 - 0x89b80d58 ]
   +0x008 InMemoryOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0xffffffff - 0xffffffff ]
   +0x010 InInitializationOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0x630069 - 0x0 ]
   +0x018 DllBase          : 0xbab50000 Void
   +0x01c EntryPoint       : 0xbab54000 Void
   +0x020 SizeOfImage      : 0x6000
   +0x024 FullDllName      : _UNICODE_STRING "\??\C:\Documents and Settings\wingsummer\桌面\HelloDriver.sys"
   +0x02c BaseDllName      : _UNICODE_STRING "HelloDriver.sys"
   +0x034 Flags            : 0x9104000
   +0x038 LoadCount        : 1
   +0x03a TlsIndex         : 0x49
   +0x03c HashLinks        : _LIST_ENTRY [ 0xffffffff - 0x1055c ]
   +0x03c SectionPointer   : 0xffffffff Void
   +0x040 CheckSum         : 0x1055c
   +0x044 TimeDateStamp    : 0xfffffffe
   +0x044 LoadedImports    : 0xfffffffe Void
   +0x048 EntryPointActivationContext : (null)
   +0x04c PatchInformation : 0x00650048 Void

  然後我們繼續dt下一個成員：

kd> dt _LDR_DATA_TABLE_ENTRY 0x89b80d58
ntdll!_LDR_DATA_TABLE_ENTRY
   +0x000 InLoadOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0x89936678 - 0x89b45e98 ]
   +0x008 InMemoryOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0xb8183850 - 0x1 ]
   +0x010 InInitializationOrderLinks : _LIST_ENTRY [ 0xe - 0x0 ]
   +0x018 DllBase          : 0xb817e000 Void
   +0x01c EntryPoint       : 0xb81a6105 Void
   +0x020 SizeOfImage      : 0x2b000
   +0x024 FullDllName      : _UNICODE_STRING "\SystemRoot\system32\drivers\kmixer.sys"
   +0x02c BaseDllName      : _UNICODE_STRING "kmixer.sys"
   +0x034 Flags            : 0x9104000
   +0x038 LoadCount        : 1
   +0x03a TlsIndex         : 0x74
   +0x03c HashLinks        : _LIST_ENTRY [ 0xffffffff - 0x2f580 ]
   +0x03c SectionPointer   : 0xffffffff Void
   +0x040 CheckSum         : 0x2f580
   +0x044 TimeDateStamp    : 0xe1786190
   +0x044 LoadedImports    : 0xe1786190 Void
   +0x048 EntryPointActivationContext : (null)
   +0x04c PatchInformation : 0x006d006b Void

  可以看出，我們可以通過這個連結串列實現遍歷驅動程式的資訊。

DriverName

  指示驅動物件的名字，是一個_UNICODE_STRING的結構體。

DriverUnload

  驅動物件的解除安裝地址，如果存在則會呼叫它。它的定義：

NTSTATUS UnloadDriver(PDRIVER_OBJECT DriverObject)

其他

  剩下的未介紹的成員，自己感興趣的自行繼續探索。

IRQL

  IRQL全稱Interrupt Request Level，即中斷執行的優先順序。它是Windows自己定義的一套優先順序方案，與CPU無關，數值越大許可權越高。中斷包括了硬中斷和軟中斷，硬中斷是由硬體產生，而軟中斷則是完全虛擬出來的。處理器在一個IRQL上執行執行緒程式碼，每個處理器的IRQL決定了它如何處理中斷，以及允許接收哪些中斷。在同一處理器上，執行緒只能被更高階別IRQL的執行緒能中斷。每個處理器都有自己的中斷IRQL。常見的IRQL級別有四個：Passive、APC、Dispatch、DIRQL。PASSIVE_LEVEL是最低階別，沒有被遮蔽的中斷，執行緒執行使用者模式，可以訪問分頁記憶體。APC_LEVEL只有APC級別的中斷被遮蔽，可以訪問分頁記憶體。當有APC發生時，處理器提升到APC級別，就遮蔽掉其它APC。DISPATCH_LEVEL可以遮蔽DPC(延遲過程) 和更低的中斷，不能訪問分頁記憶體。因為只能處理分頁記憶體，所以在這個級別，能夠訪問的API大大減少。對於我們核心安全來講，瞭解這些就夠了，如下是IRQL的示意圖：

驅動篇——核心程式設計基礎

  在進行核心程式編寫的時候，尤其注意IRQL這個東西。有很多的藍屏因此而起。

本節練習

本節的答案將會在下一節進行講解，務必把本節練習做完後看下一個講解內容。不要偷懶，實驗是學習本教程的捷徑。

  俗話說得好，光說不練假把式，如下是本節相關的練習。如果練習沒做好，就不要看下一節教程了，越到後面，不做練習的話容易夾生了，開始還明白，後來就真的一點都不明白了。本節練習不多，請保質保量的完成。

1️⃣ 編寫驅動，申請一塊記憶體，並在記憶體中儲存GDT表的所有資料。然後在DebugView中顯示出來，最後釋放記憶體。

2️⃣ 編寫驅動，實現如下功能：
<1> 初始化一個字串；
<2> 拷貝一個字串；
<3> 比較兩個字串是否相等；
<4> ANSI_STRING與UNICODE_STRING字串相互轉換；

3️⃣ 思考題：為什麼DISPATCH_LEVEL不能訪問分頁記憶體。

下一篇

  驅動篇——核心空間與核心模組

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