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应用程序 驱动程序通信 DeviceIoControl 详解应用程序与驱动程序通信DeviceIoControl

沉疴   2021-06-10 我要评论
想了解详解应用程序与驱动程序通信DeviceIoControl的相关内容吗沉疴在本文为您仔细讲解应用程序 驱动程序通信 DeviceIoControl的相关知识和一些Code实例欢迎阅读和指正我们先划重点:DeviceIoControl,通信,驱动程序,通信下面大家一起来学习吧

一、定义IO控制码 

其实可以看作是一种通信协议

看看CTL_CODE原型:

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

可以看到这个宏四个参数自然是一个32位分成了4部分高16位存储设备类型14~15位访问权限2~13位操作功能最后01两位就是确定缓冲区是如何与I/O和文件系统数据缓冲区进行数据传递方式最常见的就是METHOD_BUFFERED

自定义CTL_CODE:

#define IOCTL_Device_Function CTL_CODE(DeviceType, Function, Method, Access)

IOCTL_Device_Function:生成的IRP的MinorFunction

DeviceType:设备对象的类型设备类型可参考:http://blog.csdn.net/liyun123gx/article/details/38058965

Function :自定义的IO控制码自己定义时取0x800到0xFFF因为0x0到0x7FF是微软保留的

Method :数据的操作模式

METHOD_BUFFERED:缓冲区模式

METHOD_IN_DIRECT:直接写模式

METHOD_OUT_DIRECT:直接读模式

METHOD_NEITHER :Neither模式

Access:访问权限可取值有:

FILE_ANY_ACCESS:表明用户拥有所有的权限

FILE_READ_DATA:表明权限为只读

FILE_WRITE_DATA:表明权限为可写

也可以 FILE_WRITE_DATA | FILE_READ_DATA:表明权限为可读可写但还没达到FILE_ANY_ACCESS的权限

继续介绍这个缓冲区数据传递方式Method:

Method表示Ring3/Ring0的通信中的内存访问方式有四种方式:

#defineMETHOD_BUFFERED0

#defineMETHOD_IN_DIRECT1

#defineMETHOD_OUT_DIRECT2

#defineMETHOD_NEITHER3

(1)如果使用METHOD_BUFFERED表示系统将用户的输入输出都经过pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer来缓冲因此这种方式的通信比较安全

METHOD_BUFFERED方式相当于对Ring3的输入输出都进行了缓冲

METHOD_BUFFERED方式:

(2)如果使用METHOD_IN_DIRECT或METHOD_OUT_DIRECT方式表示系统会将输入缓冲在pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer中并将输出缓冲区锁定然后在内核模式下重新映射一段地址这样也是比较安全的

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT可称为"直接方式"是指系统依然对Ring3的输入缓冲区进行缓冲但是对Ring3的输出缓冲区并没有缓冲而是在内核中进行了锁定这样Ring3输出缓冲区在驱动程序完成I/O请求之前都是无法访问的从一定程度上保障了安全性

这两种方式对于Ring3的输入缓冲区和METHOD_BUFFERED方式是一致的对于Ring3的输出缓冲区首先由系统锁定并使用pIrp->MdlAddress来描述这段内存驱动程序需要使用MmGetSystemAddressForMdlSafe函数将这段内存映射到内核内存地址(OutputBuffer)然后可以直接写入OutputBuffer地址最终在驱动派遣例程返回后由系统解除这段内存的锁定

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式的内存访问

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式的区别仅在于打开设备的权限上当以只读权限打开设备时METHOD_IN_DIRECT方式的IoControl将会成功而METHOD_OUT_DIRECT方式将会失败如果以读写权限打开设备两种方式都会成功

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式:

(3)如果使用METHOD_NEITHER方式"其他方式"虽然通信的效率提高了但是不够安全驱动的派遣函数中输入缓冲区可以通过I/O堆栈(IO_STACK_LOCATION)的stack->Parameters.DeviceIo Control.Type3InputBuffer得到输出缓冲区可以通过pIrp->UserBuffer得到由于驱动中的派遣函数不能保证传递进来的用户输入和输出地址因此最好不要直接去读写这些地址的缓冲区应该在读写前使用ProbeForRead和ProbeForWrite函数探测地址是否可读和可写

METHOD_ NEITHER方式是不进行缓冲的在驱动中可以直接使用Ring3的输入输出内存地址

驱动程序可以通过pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.Type3InputBuffer得到Ring3的输入缓冲区地址(其中pIrpStack是IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp)的返回)通过pIrp-> UserBuffer得到Ring3的输出缓冲区地址

由于METHOD_NEITHER方式并不安全因此最好对Type3InputBuffer读取之前使用ProbeForRead函数进行探测对UserBuffer写入之前使用ProbeForWrite函数进行探测当没有发生异常时再进行读取和写入操作

METHOD_NEITHER方式:

二、定义驱动设备名符号链接名

定义好了IO控制码CTL_CODE第二步驱动程序还要准备驱动设备名和符号链接名

关于在Ring0层中要设置驱动设备名的同时还要设置符号链接名的原因是因为只有符号链接名才可以被用户模式下的应用程序识别

windows下的设备是以"\Device\[设备名]”形式命名的

例如磁盘分区的c盘d盘的设备名称就是"\Device\HarddiskVolume1”,"\Device\HarddiskVolume2”, 当然也可以不指定设备名称

如果IoCreateDevice中没有指定设备名称那么I/O管理器会自动分配一个数字作为设备的名称

例如"\Device\00000001"\Device\[设备名]不容易记忆通常符号链接可以理解为设备的别名更重要的是设备名只能被内核模式下的其他驱动所识别而别名可以被用户模式下的应用程序识别例如c盘就是名为"c:"的符号链接其真正的设备对象是"\Device\HarddiskVolume1”所以在写驱动时候一般我们创建符号链接即使驱动中没有用到这也算是一个好的习惯吧

驱动中符号链接名是这样写的

L"\\??\\HelloDDK" --->\??\HelloDDK

或者

L"\\DosDevices\\HelloDDK"--->\DosDevices\HelloDDK

在应用程序中符号链接名:

L"\\\\.\\HelloDDK"-->\\.\HelloDDK

DosDevices的符号链接名就是??, 所以"\\DosDevices\\XXXX"其实就是\\??\\XXXX

#define DEVICE_OBJECT_NAME  L"\\Device\\BufferedIODeviceObjectName"
//设备与设备之间通信
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\DosDevices\\BufferedIODevcieLinkName"
//设备与Ring3之间通信

三、将符号链接名与设备对象名称关联 等待IO控制码

驱动程序要做的最后一步先用IoCreateDevice函数创建设备对象再用IoCreateSymbolicLink将符号链接名与设备对象名称关联大功告成等待IO控制码

 //创建设备对象名称
RtlInitUnicodeString(&DeviceObjectName,DEVICE_OBJECT_NAME);
//创建设备对象
Status = IoCreateDevice(DriverObject,NULL,
    &DeviceObjectName,
    FILE_DEVICE_UNKNOWN,
    0, FALSE,
    &DeviceObject);
if (!NT_SUCCESS(Status))
{
    return Status;
}
 
//创建设备连接名称
RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);
//将设备连接名称与设备名称关联
Status = IoCreateSymbolicLink(&DeviceLinkName,&DeviceObjectName);
 
if (!NT_SUCCESS(Status))
{
    IoDeleteDevice(DeviceObject);
    return Status;
}       

四、应用程序获取设备句柄发送IO控制码

驱动程序铺垫打理好之后应用程序就可以由符号链接名通过CreateFile函数获取到设备句柄DeviceHandle再用本场的主角DeviceIoControl通过这个DeviceHandle发送控制码了

先看看这两个函数:

BOOL WINAPI DeviceIoControl(
  _In_         HANDLE hDevice,       //CreateFile函数打开的设备句柄
  _In_         DWORD dwIoControlCode,//自定义的控制码
  _In_opt_     LPVOID lpInBuffer,    //输入缓冲区
  _In_         DWORD nInBufferSize,  //输入缓冲区的大小
  _Out_opt_    LPVOID lpOutBuffer,   //输出缓冲区
  _In_         DWORD nOutBufferSize, //输出缓冲区的大小
  _Out_opt_    LPDWORD lpBytesReturned, //实际返回的字节数对应驱动程序中pIrp->IoStatus.Information
  _Inout_opt_  LPOVERLAPPED lpOverlapped //重叠操作结构指针同步设为NULLDeviceIoControl将进行阻塞调用否则应在编程时按异步操作设计
);
HANDLE CreateFile(
  LPCTSTR lpFileName,                         //打开的文件名
  DWORD dwDesiredAccess,                    //访问权限
  DWORD dwShareMode,                      //共享模式
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,   //安全属性
  DWORD dwCreationDisposition,               //文件存在与不存在时的文件创建模式
  DWORD dwFlagsAndAttributes,                //文件属性设定(隐藏、只读、压缩、指定为系统文件等)
  HANDLE hTemplateFile                       //文件副本句柄
);

五、总结DeviceIoControl的通信流程

1.驱动程序和应用程序自定义好IO控制码 (CTL_CODE宏 四个参数32位4部分存储设备类型访问权限操作功能缓冲区数据传递方式(四种))

2.驱动程序定义驱动设备名符号链接名 将符号链接名与设备对象名称关联 等待IO控制码(IoCreateDeviceIoCreateSymbolicLink)

3.应用程序由符号链接名通过CreateFile函数获取到设备句柄DeviceHandle再用本场的主角DeviceIoControl通过这个设备句柄发送控制码给派遣函数

六、源代码

BufferedIO.h

#pragma once
#include <ntifs.h>

#define CTL_SYS \
    CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x830,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)

#define DEVICE_OBJECT_NAME  L"\\Device\\BufferedIODeviceObjectName"
//设备与设备之间通信
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\DosDevices\\BufferedIODevcieLinkName"
//设备与Ring3之间通信
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject);
NTSTATUS PassThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp);
NTSTATUS ControlThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp);

BufferedIO.c

#include "BufferedIO.h"

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegisterPath)
{
    NTSTATUS Status = STATUS_SUCCESS;
    PDEVICE_OBJECT  DeviceObject = NULL;
    UNICODE_STRING  DeviceObjectName;
    UNICODE_STRING  DeviceLinkName;
    ULONG           i;
    //   栈
    //   堆
    //   全局(global Static Const)
    DriverObject->DriverUnload = DriverUnload;
 
    //创建设备对象名称
    RtlInitUnicodeString(&DeviceObjectName,DEVICE_OBJECT_NAME);
 
    //创建设备对象
    Status = IoCreateDevice(DriverObject,NULL,
        &DeviceObjectName,
        FILE_DEVICE_UNKNOWN,
        0, FALSE,
        &DeviceObject);
    if (!NT_SUCCESS(Status))
    {
        return Status;
    }
    //创建设备连接名称
    RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);
 
    //将设备连接名称与设备名称关联
    Status = IoCreateSymbolicLink(&DeviceLinkName,&DeviceObjectName);
 
    if (!NT_SUCCESS(Status))
    {
        IoDeleteDevice(DeviceObject);
        return Status;
    }
    //设计符合我们代码的派遣历程
    for (i=0;i<IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION;i++)
    {
        DriverObject->MajorFunction[i] = PassThroughDispatch;   //函数指针
    }
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = ControlThroughDispatch;
    return Status;
}
//派遣历程
NTSTATUS PassThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject,PIRP Irp)
{
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;     //LastError()
    Irp->IoStatus.Information = 0;             //ReturnLength
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);   //将Irp返回给Io管理器
    return STATUS_SUCCESS;
}
NTSTATUS ControlThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp)
{
    NTSTATUS Status;
    ULONG_PTR Informaiton = 0;
    PVOID InputData = NULL;
    ULONG InputDataLength = 0;
    PVOID OutputData = NULL;
    ULONG OutputDataLength = 0;
    ULONG IoControlCode = 0;
    PIO_STACK_LOCATION  IoStackLocation = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);  //Irp堆栈  
    IoControlCode = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
    InputData  = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    OutputData = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    InputDataLength  = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength;
    OutputDataLength = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength;
    switch (IoControlCode)
    {
    case CTL_SYS:
    {
        if (InputData != NULL&&InputDataLength > 0)
        {
            DbgPrint("%s\r\n", InputData);
        }
        if (OutputData != NULL&&OutputDataLength >= strlen("Ring0->Ring3") + 1)
        {
            memcpy(OutputData, "Ring0->Ring3", strlen("Ring0->Ring3") + 1);
            Status = STATUS_SUCCESS;
            Informaiton = strlen("Ring0->Ring3") + 1;
        }
        else
        {
            Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;   //内存不够
            Informaiton = 0;
        }
        break;
    }
    default:
        break;
    }
    Irp->IoStatus.Status = Status;             //Ring3 GetLastError();
    Irp->IoStatus.Information = Informaiton;
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);  //将Irp返回给Io管理器
    return Status;                            //Ring3 DeviceIoControl()返回值
}
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    UNICODE_STRING  DeviceLinkName;
    PDEVICE_OBJECT  v1 = NULL;
    PDEVICE_OBJECT  DeleteDeviceObject = NULL;
     
    RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);
    IoDeleteSymbolicLink(&DeviceLinkName);
 
    DeleteDeviceObject = DriverObject->DeviceObject;
    while (DeleteDeviceObject != NULL)
    {
        v1 = DeleteDeviceObject->NextDevice;
        IoDeleteDevice(DeleteDeviceObject);
        DeleteDeviceObject = v1;
    }
}

IO.cpp

// 缓冲区IO.cpp : 定义控制台应用程序的入口点
//
 
#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\\\.\\BufferedIODevcieLinkName"
 
#define CTL_SYS \
    CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x830,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)
int main()
{
    HANDLE DeviceHandle = CreateFile(DEVICE_LINK_NAME,
        GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
        NULL);
    if (DeviceHandle==INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        return 0;
    }
    char BufferData = NULL;
    DWORD ReturnLength = 0;
    BOOL IsOk = DeviceIoControl(DeviceHandle, CTL_SYS,
        "Ring3->Ring0",
        strlen("Ring3->Ring0")+1,
        (LPVOID)BufferData,
        0,
        &ReturnLength,
        NULL);
    if (IsOk == FALSE)
    {
        int LastError = GetLastError();
 
        if (LastError == ERROR_NO_SYSTEM_RESOURCES)
        {
            char BufferData[MAX_PATH] = { 0 };
            IsOk = DeviceIoControl(DeviceHandle, CTL_SYS,
                "Ring3->Ring0",
                strlen("Ring3->Ring0") + 1,
                (LPVOID)BufferData,
                MAX_PATH,
                &ReturnLength,
                NULL);
 
            if (IsOk == TRUE)
            {
                printf("%s\r\n", BufferData);
            }
        }
    }
    if (DeviceHandle != NULL)
    {
        CloseHandle(DeviceHandle);
        DeviceHandle = NULL;
    }
    printf("Input AnyKey To Exit\r\n");
 
    getchar();
    return 0;
}

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