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驱动开发学习：实现三环零环通信
发表于: 2024-8-15 10:53 2040

驱动开发学习：实现三环零环通信

子若怀天 活跃值
2024-8-15 10:53
2040

三环与零环通信

因为零环中的程序不能像三环一样输出到控制台或者窗口，只能通过DbgPrint这样的调试符号打印观察到输出结果，所以才需要设计三环和零环通信。零环的特殊权限能做到三环无法完成的功能，而三环能帮助实现与用户的良好交流。

零环方面的准备

生成设备对象

设备对象是三环与零环沟通的桥梁。零环的程序可以像操纵文件一样操控这个设备对象。对于需要对驱动进行操纵或控制的需求，生成的设备对象叫“控制设备对象”，通过该对象可以实现对驱动的控制。（关于设备对象，驱动对象和请求之间的关系，在文章《关键对象》中有详细介绍）

生成设备对象用IoCreateDevice （看到这个api的前缀是Io，也可以联想到设备对象与通信之间的密切关系）

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NTSTATUS
IoCreateDevice(
IN PDRIVER_OBJECT Driverobject,
IN ULONG DeviceExtensionsize,
IN PUNICODE_STRING DeviceName OPTIONAL,
IN DEVICE_TYPE DeviceType,
IN ULONG DeviceCharacteristics,
IN BOOLEAN Exclusive,
OUT PDEVICE_OBJECT *DeviceObject
);

参数介绍：

  • 第一个参数可以从DriverEntry的参数表中获得，表示该驱动的驱动对象。（也就意味着，在当前驱动下创立了该设备对象）。
  • 第二个参数表示设备扩展大小（看示例）
  • 第三个参数表示设备的名称。（OPTIONAL的含义，是表示该设备可有名字也可以没有名字，也就暗示了打开或操纵一个设备不一定只用名字来操作）。
  • 第四个参数表示设备的类型，Windows已经考虑到了用户可能会使用到的设备类型。
  • 第五个参数表示创建设备对象的属性。
  • 第六个参数表示该设备是否为独占设备，该参数的设定直接决定了该设备能否打开多个句柄被多个进程操作。
  • 第七个参数则返回该设备对象的指针。

tips：对于使用IoCreateDevice创建的设备，默认要三环程序需要用到管理员权限才能打开。而我们并不知道实际的用户到底是具有怎样的权限。应对办法是用IoCreateDeviceSecure创建设备对象，其优点在于我们可以自己定义有怎样权限的用户才能打开设备（当然就可以设置成普通权限也可以打开了）。

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NTSTATUS
IoCreateDeviceSecure(
IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
IN ULONG DeviceExtensionsize,
IN PUNICODE_STRING DeviceNameOPTIONAL,
IN DEVICE_TYPE DeviceType,
IN ULONG DeviceCharacteristics,
IN BOOLEAN Exclusive,
IN PCUNICODE_STRING DefaultSDDLString,
IN LPCGUID DeviceclassGuid,
OUT PDEVICE_OBJECT *Deviceobject,
);

该api新增加的两个参数：

IN PCUNICODE_STRING DefaultSDDLString,
IN LPCGUID DeviceclassGuid,

第一个参数填入字符串**”D:P(A;;GA;;;WD)”**即可保证任何权限都可以打开。

第二个参数是用CoCreateCuid生成的全球唯一标识符，用于区分不同设备（解决了设备重名的问题）。

tips：控制设备保存在全局变量中即可（因为一个驱动生成一个控制设备就足够了。三环用这个控制设备就可以完全操纵驱动）。

控制设备的名字与符号链接

为了三环的应用程序能与零环的设备进行通信，对创建的控制设备有以下两点要求。

  • 在创建设备对象时，要为设备创建名字
  • 为该控制设备创建符号链接

以上提到的两个参数都是UNICODE_STRING类型的。

创建符号链接使用api IoCreateSymbolicLink 而这个函数所用到的参数，就是前文提到的零环与三环通信所需的两个必备参数。

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//生成符号链接
NTSTATUS
IoCreateSymbolicLink(
IN PUNICODE_STRING SymbolicLinkName,
IN PUNICODE_STRING DeviceName
);
 
//删除已经生成的符号链接
NTSTATUS
IoDeleteSymbolicLink(
IN PUNICODE_STRING SymbolicLinkName
);

tips：在写符号链接字符串和设备名字字符时，要考虑到两点。

  1. Windows的设备都像文件一样位于一个对象树的管理之下。一般而言，设备都位于\Device\这个路径下(但这不是绝对的)，而生成的符号链接则一般位于??\这个路径下。这两个字符串其实是路径名。因此我们前面提到的设备名，符号链接那些，实际上都是定义成一个路径的形式。
  2. 同样要保证字符串不相同避免产生冲突问题。

删除设备对象

删除设备对象和符号链接一般在卸载驱动时进行了。（因为设备是归属于某个驱动的，如果驱动都卸载了那设备也就不复存在了，但是这个操作不像三环那样有操作系统帮我们回收，而是要在卸载函数中自己定义清理操作）

使用IoDeleteSymbolicLink和IoDeleteDevice即可清除对应的设备和符号链接。

分发函数

前面提到了设备对象和分发函数构成了整个内核的基本框架，可见理解分发函数的重要性。

首先，分发函数是与驱动对象进行绑定的，某个驱动有某些分发函数。具体而言，驱动的分发函数指针保存在驱动对象的**MajorFunction[]**数组中。

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driver->MajorFunction[i] = fun;
//此处的i，由irp的功能号决定，相当于数组的每个位置都是特定的。fun表示定义的函数指针

定义不同的分发函数可以应对不同的请求。一般，一个分发函数的格式像下面这样定义。

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NTSTATUS cwkDispatch(
IN PDEVICE_OBJECT dev,    //请求所要发送到的设备对象的指针
IN PIRP irp               //请求
)

整个过程类似于：三环或其他某些内核模块调用了某些api，这些api会产生对应的irp信号，然后操作系统根据irp信号，来决定传给哪个分发函数进行处理（例如在三环中，通过CreateFile来得到一个控制设备的句柄，内核中根据该控制设备可以找到对应的驱动对象，然后再根据不同的irp来分发到不同的函数）。

请求

内核中的IRP类似于网络传输中的数据包，内核中通过各种IRP请求来进行通信。每个请求都对应有一个主功能号，区分不同的功能。

例如：

打开请求的主功能号是IRP_MJ_CREATE。
关闭请求的主功能号是 IRP_MJ_CLOSE。
设备控制请求的主功能号是IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。

对于PIRP，使用函数IoGetCurrentIrpStackLocation获得当前请求的栈空间，该函数返回PIO_STACK_LOCATION类型的指针，就可以使用该结构体中各种关于irp结构体的成员了。

(例如：通过PIO_STACK_LOCATION的MajorFunction就可以获得请求的主功能号)

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PIRP irp;
PIO_STACK_LOCATION irpsp = IoGetCurrentIrpStackLocation(irp);

分发函数结束部部分

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Irp->IoStatus.Status = status;
Irp->IoStatus.Information = Length;
IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
return status;

三环的准备

三环中打开驱动

要控制驱动就要先获取该驱动控制设备对象句柄，使用CreateFile结合符号链接路径打开控制设备对象句柄。

tips：符号链接路径在应用层中为**\.**开头，写C代码时要进行转义。

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//文件打开的示例代码
#define IO_DEV_SYS_PATH L"\\\\.\\my_test_demo" //注意这里的路径应该是在零环中定义好的唯一路径，此处只是一个示例
int _tmain()
{
        HANDLE dev = NULL;
        //参数可以直接按照这样的写法填充
        dev = CreateFile(IO_DEV_SYS_PATH, GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, 0, 0, OPEN_EXISTING,FILE_ATTRIBUTE_SYSTEM, 0);
         
        if(INVALID_HANDLE_VALUE)
        {
            printf("dev handle null");
            return -1;
        }
        else
        {
            printf("open DO success");
            ...
        }
}

不再使用该句柄时，调用CloseHandle就可以正常关闭了。

构造请求*

如果需要通信的内容不是已经定义好的irp请求号（例如一些常见的读写操作，对应IRP_MJ_READ, IRP_MJ_WRITE）已经取得控制设备句柄后。就可以构造请求协议，通过该句柄与驱动通信了。

前面提到，请求通过不同的功能号进行区分。所以在应用层，我们定义号不同的功能号，就能在与控制设备交互时，执行不同的操作。定义功能号的方法是使用CTL_CODE宏，该宏有四个参数。

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#define CTL_CODE(DeviceType, Function, Method, Access) ( \
    ((DeviceType) << 16) | \
    ((Access) << 14) | \
    ((Function) << 2) | \
    (Method) \
)

DeviceType：表示对应的是什么样的驱动控制设备类型。（例如要操作的驱动是鼠标，则这里就应该填鼠标控制设备类型 FILE_DEVICE_MOUSE ）

Function：功能号核心数字，用于组成功能号（注意只能填0x7ff和0xfff之间的数）

Method：缓冲方式，定义为 METHOD_BUFFERED 即可。

Access：句柄拥有的操作权限。（FILE_WRITE_DATA则指写操作，与打开文件提供权限的写法一致）

进行通信

当成功打开句柄，正确构造请求后，就可以使用 DeviceloControl api 对设备发送请求了。

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//示例伪代码，注意此处直接传入str buffer到内核中是不安全的，有缓冲区溢出风险
#define MY_IRP (ULONG)CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKONWN, 0x888, METHOD_BUFFERED, FILE_WRITE_BUFFER)
 
int ask_dev(PCHAR str, HANDLE dev)
{
        if(!DeviceIoControl(dev, MY_IRP, str, strlen(str) + 1, NULL, 0, &ret_len, 0))
        {
         printf("wrong");
         return -2;
        }
        else
        {
        printf("success");
        ...
        }
}

通信的完整实例

目标：实现一个三环程序将字符串传给零环，再由该零环程序向另一个三环程序发送字符串，该三环程序将字符串打印到控制台。

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//零环代码
#include <wdm.h>
#include <ntddk.h> 
#include <Wdmsec.h>
 
#define MY_GUID L"a952eebb-84fc-4bd3-9708-3a8dc94f0c2c" //这段guid在实际使用中请自行调用CoCreateCuid生成
#define MY_CDO_NAME L"\\Device\\my_test_name"
#define MY_SYB_NAME L"\\??\\my_test_sybname123"
 
//定义内存分配标识
#define MEM_TAG 'MyTt'
char* DeviceBuffer = NULL;
int Length = -1;
 
//声明分发函数
NTSTATUS DispatchWrite(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp);
NTSTATUS DispatchRead(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp);
NTSTATUS DispatchCreateClose(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp);
 
//定义一个全局的控制设备
PDEVICE_OBJECT my_cdo = NULL;
 
// 提供一个 Unload 函数只是为了让这个程序能动态卸载，方便调试
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT driver)
{
    DbgPrint("first:our driver is unloading..r\n");
    UNICODE_STRING my_syb_name = RTL_CONSTANT_STRING(MY_SYB_NAME);
 
    // 删除符号链接
    IoDeleteSymbolicLink(&my_syb_name);
 
        //释放内核buffer
    if (DeviceBuffer)
    {
        ExFreePoolWithTag(DeviceBuffer, MEM_TAG);
    }
 
    // 删除设备对象
    if (my_cdo)
    {
        IoDeleteDevice(driver->DeviceObject);
    }
}
 
NTSTATUS DispatchRead(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);
 
    PIO_STACK_LOCATION irpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
    PVOID buffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    ULONG length = irpSp->Parameters.Read.Length;
 
    // 检查 DeviceBuffer 是否已初始化且不为空
    if (DeviceBuffer == NULL || Length == -1)
    {
        DbgPrint("Device buffer is uninitialized!");
 
        Irp->IoStatus.Status = STATUS_NO_DATA_DETECTED;
        Irp->IoStatus.Information = 0;
        IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
        return STATUS_NO_DATA_DETECTED;
    }
 
    // 检查用户缓冲区长度是否有效
    if (length == 0)
    {
        DbgPrint("Invalid read length!");
 
        Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
        Irp->IoStatus.Information = 0;
        IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
        return STATUS_INVALID_PARAMETER;
    }
 
    // 将数据从 DeviceBuffer 复制到用户缓冲区
    RtlCopyMemory(buffer, DeviceBuffer, Length);
 
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
    Irp->IoStatus.Information = Length;
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
    return STATUS_SUCCESS;
}
 
NTSTATUS DispatchWrite(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);
 
    PIO_STACK_LOCATION irpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
    PVOID buffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    ULONG length = irpSp->Parameters.Write.Length;
 
    if (DeviceBuffer == NULL || length == -1)
    {
        //为目标字符串分配内存
        DbgBreakPoint();
 
        DeviceBuffer = (char*)ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool, length, MEM_TAG);
 
        Length = length;
    }
    else if (length > 0x10)
    {
        DbgPrint("buffer too big");
 
        Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
        Irp->IoStatus.Information = 0;
        IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
        return STATUS_INVALID_PARAMETER;
    }
 
    // 将数据写入设备的内存缓冲区
    if (DeviceBuffer != NULL)
    {
        RtlCopyMemory(DeviceBuffer, buffer, length);
 
        Length = length;
 
        DbgPrint("all right");
 
        Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
        Irp->IoStatus.Information = length;
        IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
        return STATUS_SUCCESS;
    }
    else
    {
        DbgPrint("Memory allocation failed!\n");
 
        Irp->IoStatus.Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
        Irp->IoStatus.Information = 0;
        IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }
}
 
// 处理 IRP_MJ_CREATE 和 IRP_MJ_CLOSE 请求
NTSTATUS DispatchCreateClose(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);
 
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
    Irp->IoStatus.Information = 0;
 
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
 
    return STATUS_SUCCESS;
}
 
// DriverEntry，入口函数，相当于main
NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT driver, PUNICODE_STRING reg_path)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(reg_path);
 
    NTSTATUS status;
    //设备名定义在\Device\路径下
    UNICODE_STRING my_cdo_name = RTL_CONSTANT_STRING(MY_CDO_NAME);
    //定义万能打开权限
    UNICODE_STRING my_sddl = RTL_CONSTANT_STRING(L"D:P(A;;GA;;;WD)");
 
    //创建获得控制设备对象, 用这种方式创建的控制设备，三环程序可以不需要管理员权限也可以打开
    status = IoCreateDeviceSecure(
        driver,                     //设备从属的驱动对象
        0, &my_cdo_name,            //设备扩展，控制设备名字
        FILE_DEVICE_UNKNOWN,        //需要创建的设备类型，此处我们只是实现一个自己的通信设备没有实际对应的硬件模板
        FILE_DEVICE_SECURE_OPEN,    //表示系统可以检查其权限
        TRUE, &my_sddl,             //TRUE表示可以同时被多个3环程序打开，my_sddl表示万能打开权限
        (LPCGUID)&MY_GUID,          //GUID
        &my_cdo                     //返回的控制设备句柄
    );
    if (!NT_SUCCESS(status))
    {
        DbgPrint("IoCreateDeviceSecure error");
        return status;
    }
 
    //设置io方式 !重要!///////////////////////////
     
    // 设置 DO_BUFFERED_IO 标志，启用缓冲 I/O 模式
    my_cdo->Flags |= DO_BUFFERED_IO;
 
    // 清除 DO_DEVICE_INITIALIZING 标志
    my_cdo->Flags &= ~DO_DEVICE_INITIALIZING;
 
    //为刚刚生成的控制对象绑定符号链接
    //符号链接定义在\??\下
    UNICODE_STRING my_syb_name = RTL_CONSTANT_STRING(MY_SYB_NAME);
    status = IoCreateSymbolicLink(
        &my_syb_name,                //符号链接名
        &my_cdo_name               //控制设备名
    );
    if (!NT_SUCCESS(status))
    {
        DbgPrint("IoCreateSymbolicLink error");
        IoDeleteDevice(driver->DeviceObject);     //如果创建符号链接失败，记得关闭已经创建的控制设备
        return status;
    }
 
        //配置分发函数
    driver->DriverUnload = DriverUnload;
    driver->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = DispatchRead;
    driver->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = DispatchWrite;
    driver->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = DispatchCreateClose;
    driver->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = DispatchCreateClose;
 
    return STATUS_SUCCESS;
}
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#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
 
#define CDO_SYB_NAME L"\\\\.\\my_test_sybname123"
 
int main()
{
    HANDLE device = NULL;
    DWORD moudle = 0;
    char buffer[0x20] = { 0 };
    DWORD retLen = 0;
 
    printf("you want read or write?\r\n");
    printf("1: Write\r\n");
    printf("2: Read\r\n");
     
    scanf("%d", &moudle);
 
    if (moudle == 1)
    {
        system("cls");
        printf("plz input a string:\r\n");
        getchar();
 
        // 使用 fgets 安全地读取输入
        if (fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin) != NULL)
        {
            // 移除可能存在的换行符
            buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;
        }
 
        printf("%s", buffer);
 
        //像文件一样打开这个设备
        device = CreateFile(CDO_SYB_NAME, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, 0, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_SYSTEM, 0);
        if (device == INVALID_HANDLE_VALUE)
        {
            printf("Open device failed.\r\n");
            return -1;
        }
        else
        {
            printf("Open device successfully.\r\n");
 
            system("pause");
 
            WriteFile(device, buffer, strlen(buffer) + 1, &retLen, NULL);
 
            CloseHandle(device);
            return 0;
        }
    }
    else if (moudle == 2)
    {
        system("cls");
        //像文件一样打开这个设备
        device = CreateFile(CDO_SYB_NAME, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, 0, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_SYSTEM, 0);
        if (device == INVALID_HANDLE_VALUE)
        {
            printf("Open device failed.\r\n");
            return -1;
        }
        else
        {
            printf("Open device successfully.\r\n");
 
            ReadFile(device, buffer, strlen(buffer) + 1, &retLen, NULL);
 
            printf("get str: %s\r\n", buffer);
 
            system("pause");
 
            CloseHandle(device);
            return 0;
        }
    }
     
    printf("parm error\r\n");
 
    return 0;
}

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