让一切输入都难逃法眼——驱动级键盘过滤钩子的实现


		作者：中国石油大学胜利学院 小麒麟（王龙）
上一期给大家带来了SSDT的详细说明，基本上挂钩SSDT就可以实现我们想要的很多功能了，但是有时候，挂钩SSDT有局限性，这时我们就可以充分利用Windows驱动的分层特性，充分挖掘系统的特性。上一篇文章可以说写的有些快，这篇我将从头讲起，希望对有兴趣进入驱动编程的人有些帮助。 
驱动分层结构是Windows的特性，I/O管理器有两个重要设计：一是Windows中的任何一个驱动程序都可被设计成Client/Server模式。对于客户端驱动，通过IoGetDeviceObjectPointer之类的获取服务端驱动导出的Device对象，通过I/O管理器的IoCallDriver请求服务端的服务。IoCallDriver实际上根据客户端的调用参数(通过IRP)调用服务端的派遣入口(回调函数)接受客户端的请求。二是I/O管理器实现一个分层的数据结构，在DEVICE_OBJECT对象中保存某种关系，自动将请求IRP发给设备栈中的最高的一个设备，由其决定如何处理，或是自身处理，或是向下传递，达到分层的目的。鉴于这种能力，分层驱动模型可以实现很多应用，如文件监控、加密、防病毒等等。由于PnP的引入，这种应用将更加广泛。 
设备对象是系统为帮助软件管理硬件而创建的数据结构。一个物理硬件可以有多个这样的数据结构。处于堆栈最底层的设备对象称为物理设备对象(physical device object)，或简称为PDO。在设备对象堆栈的中间某处有一个对象称为功能设备对象(functional device object)，或简称FDO。在FDO的上面和下面还会有一些过滤器设备对象(filter device object)。位于FDO上面的过滤器设备对象称为上层过滤器，位于FDO下面(但仍在PDO之上)的过滤器设备对象称为下层过滤器。如图1所示。 
 
图1 
首先讲讲I/O请求报文。IRP是一个具有不完全文档说明的结构，由I/O管理器进行分配，用于在驱动程序之间传递特有的数据。对驱动程序分层时，它会注册到一个链中，如果向链接起来的驱动程序发出I/O请求，就创建一个IRP并将其传递给链中所有的驱动程序。链中最顶端的驱动程序最先接受IRP，链中最后一个驱动程序负责与硬件通信。I/O管理器准确知道链中驱动程序的数目。在分配的IRP中为链中每个驱动程序添加一个叫做IO_STACK_LOCATION的空间。IRP头部储存IO_STACK_LOCATION索引，也储存当前IO_STACK_LOCATION的一个指针，当我们调用IoCallDriver时，就会递减这个索引。具体IRP等的结构说明，请大家查看DDK吧，我就不罗嗦了。如图2所示。 
   
图2 
本文要讲的是一个键盘过滤驱动，它通过分层机制，捕获键盘的扫描码，转换成按键字符并保存下来。通过DeviceTree工具可以显示键盘驱动的结构，这里说一下，我们的程序要钩住的是KeybboardClass0，通过DeviceTree可以看到它的设备标记，这对以后我们写程序是有很大帮助的。如图3所示。 
   
图3 
这里解释一下，我们要动态卸载驱动程序，所以要挂接KeyboardClass0才可以，而不能挂接如图1所示的上层过滤器驱动。 
键盘过滤驱动是工作在异步模式下的，这一点很重要。为了得到一个按键操作，首先需要发送一个IRP_MJ_READ到驱动的设备栈，驱动收到这个IRP会做什么样的处理呢？它会一直保持这个IRP为pending未确定状态，直到一个键被真正的按下，驱动此时就会立刻完成这个IRP，并将刚按下的键的相关数据作为该IRP的返回值。在该IRP带着对应的数据返回后，操作系统将这些值传递给对应的事件系统来处理，然后做什么呢？系统紧接着又会立刻发送一个IRP_MJ_READ请求，等待下次的按键操作，重复以上的步骤。也就是说，任何时候，设备栈底都会有一个键盘的IRP_MJ_READ请求处于pending未确定状态。这意味着只有在该IRP完成返回，新的IRP请求还未发送到的时候才会有一个很短暂的时间。由此我们想到，按照一般的方式动态御载键盘过滤驱动的时候，基本都是有IRP_MJ_READ请求处于pending未确定状态，而我们却卸载了驱动，以后按键的时候需要处理这个IRP却找不到对应的驱动，就会导致蓝屏。 
栈底有IRP，为什么我们的驱动卸载就会有问题呢？这是由于IRM_MJ_READ是异步的，对于异步的请求，基本上我们会关心这个异步请求的结果。那么如何得到完成后的数据呢？大家一定想到了，设置完成例程。对，就是这样，由于我们给IRP_MJ_READ设置了完成例程，该IRP完成后会调用我们的完成例程，使我们有处理返回数据的机会。在这样的情况下，我们动态卸载了键盘过滤驱动，也就是说完成例程已经被我们卸载掉了，而以后的再次按键在完成这个IRP后会调用这个根本已经不存在了的东东，结果蓝屏就可想而知了。 
那是否是不设置完成例程就不会有问题了呢？答案是肯定的。可是没有完成例程我们就没有办法处理到返回的数据，也就在很大程度上失去了键盘过滤驱动的作用了。如何做到既能设置完成例程来处理数据又可以实现动态卸载呢？ 
我们由有两个办法。当有IRP_MJ_READ到来的时候，不为这个IRP设置完成例程，也不将该IRP向下传递，而是创建一个自己的IRP，并参考前面的IRP_MJ_READ做对应的设置，然后为自己的这个IRP设置完成例程后，将自己的IRP向下传递，并设置原来的IRP_MJ_READ为pending状态。当有按键操作时，自己的IRP返回触发为它设置的完成例程，在这里取得返回的数据填充前面的IRP_MJ_READ后，将该IRP_MJ_READ完成返回。相当于我们使用了一个代理，而这一切都是透明的。到这里我们实现了完成例程，也就是有了处理数据的机会。 
假设现在我们收到卸载的请求，看看当前所有的IRP处于何种状态。 
(1)一个我们保存的原来的IRP_MJ_READ处于pending，注意它并没向下传递，也未设置完成例程。 
(2)一个我们自己构造的IRP处于栈底，并注意我们为自己的这个IRP设置了完成例程。 
基本上就这2个IRP。由于我们自己的IRP有完成例程，所以直接卸载会出现和上面一样的情况，导致蓝屏。如何处理呢？因为是我们自己构造的IRP，所以可以将其取消，这样并不会有太大的影响。然后将原来的这个IRP_MJ_READ向下传递，这里千万注意，我们自己的驱动马上要卸载，所以传递原来的IRP_MJ_READ的时候不要给它设置完成例程。向下传递后卸载我们的驱动。当然，这里还有更简单的办法，使用计数器也可以实现，还简单得多，所以我们这里使用计数器来实现。这里就不多罗嗦了，详细内容可看程序的说明。 
写驱动程序要有一个入口DriverEntry，有人会问如何配置一个方便的驱动开发环境，我推荐是VC+DDK+DS，这也是它们安装的顺序。我习惯了VC++的开发环境，我想大多数人也是，所以即使用DDK开发也可以装个DS，呵呵。下面看程序，我只介绍几个重要例程，其他的请看随文的源代码。 

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT theDriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath) 
{ 
NTSTATUS status={0}; 
int i; 
PDEVICE_EXTENSION pKeyboardDeviceExtension; 

IO_STATUS_BLOCK file_status; 
OBJECT_ATTRIBUTES obj_attrib; 
CCHAR ntNameFile[100]="\DosDevices\c:\klog.txt"; 
STRING ntNameString; 
UNICODE_STRING uFileName; 

for( i=0 ; i < IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION;i++) 

//这里我们设置一个DispatchPassDown例程来处理一些请求 
theDriverObject->MajorFunction[i] = DispatchPassDown; 
//在DispatchRead中处理键盘的读请求 
theDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=DispatchRead; 
//HookKeyboard hook键盘驱动 
HookKeyboard(theDriverObject); 
//建立一个线程用来记录键盘动作 
InitThreadKeyLogger(theDriverObject); 

//初始化一个旋转锁来访问链表 
pKeyboardDeviceExtension=(PDEVICE_EXTENSION)theDriverObject->DeviceObject->DeviceExtension; 
InitializeListHead(&pKeyboardDeviceExtension->QueueListHead); 
KeInitializeSpinLock(&pKeyboardDeviceExtension->lockQueue); 
KeInitializeSemaphore(&pKeyboardDeviceExtension->semQueue,0,MAXLONG); 
//创建一个记录文件 
RtlInitAnsiString(&ntNameString,ntNameFile); 
RtlAnsiStringToUnicodeString(&uFileName,&ntNameString,TRUE); 
InitializeObjectAttributes(&obj_attrib,&uFileName, 
OBJ_CASE_INSENSITIVE, 
NULL,NULL); 

status=ZwCreateFile(&pKeyboardDeviceExtension->hLogFile, 
GENERIC_WRITE, 
&obj_attrib, 
&file_status, 
NULL, 
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, 
0, 
FILE_OPEN_IF, 
FILE_SYNCHRONOUS_IO_NONALERT, 
NULL, 
0); 
RtlFreeUnicodeString(&uFileName); 

theDriverObject->DriverUnload=OnUnload; 

return STATUS_SUCCESS; 

} 

下面是在HookKeyboard中创建设备的代码。 

NTSTATUS HookKeyboard(IN PDRIVER_OBJECT theDriverObject) 
{//IRQL = passive level 
//建立过滤驱动对象 
PDEVICE_EXTENSION pKeyboardDeviceExtension; 
PDEVICE_OBJECT pKeyboardDeviceObject; 
CCHAR ntNameBuffer[50]="\Device\keyboardClass0"; 
STRING ntNameString; 
UNICODE_STRING uKeyboardDevice; 

NTSTATUS status=IoCreateDevice(theDriverObject, 
sizeof(DEVICE_EXTENSION), 
NULL, 
FILE_DEVICE

补充：综合编程 , 安全编程 ,