RING0机制解析-优快云博客

接触RING 0之前，以为得学很多东西，一大堆驱动开发的知识。不过后来想了想，驱动壳等其他不直接访问硬件的程序为了兼容性，不可能真的直接访问硬件，也就是那些是基于硬件抽象层之上的，而且大部分使用的还是系统提供的API（RING0下使用的API称为NATIVE API）。事情一下子变简单了，除非你想通过逆向硬件厂商驱动，自己编写优化硬件或者超频程序。
虽然这是纯静态分析，但是我希望通过分析整个驱动，你会理解一些RING0下的机制，并且懂得在动态调试中应该如何下断点定位代码。
在开始之前，感谢rockhard的源代码和已编译好的驱动，这样我就可以不必学习WINDDK的使用了。你可以在下面链接的附件中得到：
http://bbs.pediy.com/showthread.php?s=&threadid=35626
初步实现系统级拦截应用程序取硬盘物理序列号
Rockhard发表上述文章时的目标是通过简单修改REGMON驱动部分的源代码完成拦截应用程序取硬盘物理序列号的功能，难免有不足之处。个人对源代码的不成熟评论并不针对Rockhard。
学习逆向时，我的方法是先看看高级语言代码编译后究竟是怎么样的。或许最后我还是得学习WINDDK的使用，编写代码，编译，反汇编，它会解答一些疑问。下面让我来以源码和反汇编代码对照的形式来说明RING0下的一些机制。
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath )
DriverEntry，驱动程序的入口函数，驱动的一些初始化操作，将在这里进行。象RING3那样，程序通过堆栈访问DriverObject和RegistryPath。而在IDA，反汇编后是这样子：“; int __stdcall start(PDRIVER_OBJECT DriverObject,HANDLE Handle)”第二个参数的名字有点不同，不过不重要，我们知道，其实它是一样的。
.text:000105A0                 push    7
.text:000105A2                 pop     ecx
.text:000105A3                 mov     esi, offset s_DeviceHdhook ; "[url=file://device//HDHOOK]//Device//HDHOOK[/url]"
.text:000105A8                 lea     edi, [ebp+regnameNt]
.text:000105AE                 push    9
.text:000105B0                 rep movsd
.text:000105B2                 movsw
.text:000105B4                 pop     ecx
.text:000105B5                 mov     esi, offset s_DosdevicesHdh ; "[url=file://dosdevices//HDHOOK]//DosDevices//HDHOOK[/url]"
.text:000105BA                 lea     edi, [ebp+regnameDos]
.text:000105C0                 push    206B6444h       ; Tag
.text:000105C5                 rep movsd
.text:000105C7                 movsw
.text:000105C9                 mov     esi, offset s_Start ; "Start"
.text:000105CE                 lea     edi, [ebp+SourceString]
.text:000105D1                 movsd
.text:000105D2                 movsd
.text:000105D3                 movsd
.text:000105D4                 mov     esi, [ebp+Handle]
.text:000105D7                 movzx   eax, word ptr [esi]
.text:000105DA                 inc     eax
.text:000105DB                 inc     eax
.text:000105DC                 push    eax             ; NumberOfBytes
.text:000105DD                 push    1               ; PoolType
.text:000105DF                 call    ds:ExAllocatePoolWithTag
前面一大堆代码，都是因为下面3个局部变量的定义，编译器会生成一段代码，先将这些字符移进堆栈，然后再使用。
WCHAR                   deviceNameBuffer[]  = L"[url=file://device//%22DRIVER_NAME]//Device//"DRIVER_NAME[/url];
WCHAR                   deviceLinkBuffer[]  = L"[url=file://dosdevices//%22DRIVER_NAME]//DosDevices//"DRIVER_NAME[/url];
WCHAR                   startValueBuffer[] = L"Start";
从逆向的角度来看，象这种静态字符变量，如果换成全局变量，或者可以获得更高的运行效率和更小的程序。值得注意的是NATIVE API的调用，第一个参数入栈后的几行代码，仍然是局部变量的初始化，这编译器让我想起扭曲变形的介绍。000105D4的代码是从堆栈中取得DriverEntry的第二参数，它是一个UNICODE_STRING结构，从MSDN中搜索到的说明（如无特别说明，一切资料都是从MSDN中搜索得到）：
typedef struct _UNICODE_STRING {
  USHORT  Length;
  USHORT  MaximumLength;
  PWSTR  Buffer;
} UNICODE_STRING *PUNICODE_STRING;
从000105D7处的代码来看，该结构在反汇编是：
  WORD  Length
  WORD  MaximumLength
  DWORD  Buffer（指向字符的指针）
通过逆向RtlInitUnicodeString，可知上述结构中的 MaximumLength成员，其实就相当于Length + sizeof(UNICODE_NULL)。关于调用ExAllocatePoolWithTag的第三参数PoolType：
typedef enum _POOL_TYPE {
  NonPagedPool,
  PagedPool,
  NonPagedPoolMustSucceed,
  DontUseThisType,
  NonPagedPoolCacheAligned,
  PagedPoolCacheAligned,
  NonPagedPoolCacheAlignedMustS
} POOL_TYPE;
这里看起来跟PUSH 1好象没有什么关系，现在看看源代码：
    registryPath.Buffer = ExAllocatePool( PagedPool,
                                          RegistryPath->Length + sizeof(UNICODE_NULL));
这里使用的参数是PagedPool，对于enum类型的定义，每个成员代表的数字是从0开始递增。PagedPool刚好在第二个位置，所以它是1。源代码使用的ExAllocatePool，反汇编后的代码使用的是ExAllocatePoolWithTag。MSDN的说法是ExAllocatePool已经被舍弃了，取代的是ExAllocatePoolWithTag（以标识申请内存）。调用API之后是对返回结果的判断：
    if (!registryPath.Buffer) {
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }
它对应的汇编代码是
.text:000105E5                 mov     edi, eax
.text:000105E7                 xor     ebx, ebx
.text:000105E9                 cmp     edi, ebx
.text:000105EB                 mov     [ebp+Path], edi
.text:000105EE                 jnz     short loc_105FA
.text:000105EE
.text:000105F0                 mov     eax, 0C000009Ah
.text:000105F5                 jmp     loc_1075A
注意到000105F0，STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES=0C000009Ah，仍然使用EAX作为返回参数。接下来的源代码，终于看到编译优化了：
    registryPath.Length = RegistryPath->Length + sizeof(UNICODE_NULL);
    registryPath.MaximumLength = registryPath.Length;
    RtlZeroMemory( registryPath.Buffer, registryPath.Length );
    RtlMoveMemory( registryPath.Buffer,  RegistryPath->Buffer,
                   RegistryPath->Length  );
    RtlZeroMemory( &paramTable[0], sizeof(paramTable));
这里本来要调用2个API的。对于前一个RtlZeroMemory调用，编译器使用自己的代码来代替它：
.text:000105FA                 mov     ax, [esi]
.text:000105FD                 add     ax, 2
.text:00010601                 movzx   ecx, ax
.text:00010604                 mov     edx, ecx
.text:00010606                 xor     eax, eax
.text:00010608                 shr     ecx, 2
.text:0001060B                 rep stosd
.text:0001060D                 mov     ecx, edx
.text:0001060F                 and     ecx, 3
.text:00010612                 rep stosb
先是4字节对齐的填0，然后使用AND取得除以4后的余数，继续填0。第二次调用，编译器同样使用自己的代码来实现这个功能：
.text:00010624                 add     esp, 0Ch
.text:00010627                 xor     eax, eax
.text:00010629                 lea     edi, [ebp+QueryTable]
.text:0001062F                 push    0Eh
.text:00010631                 pop     ecx
.text:00010632                 rep stosd
现在让我们再来看看系统中RtlZeroMemory的代码：
00402520: 57                       PUSH EDI
00402521: 8B7C2408                 MOV EDI, [ESP+08]
00402525: 8B4C240C                 MOV ECX, [ESP+0C]
00402529: 33C0                     XOR EAX, EAX
0040252B: FC                       CLD ；这一句用来保证DF=0
0040252C: 8BD1                     MOV EDX, ECX
0040252E: 83E203                   AND EDX, 00000003
00402531: C1E902                   SHR ECX, 02
00402534: F3AB                     REP STOSD
00402536: 0BCA                     OR ECX, EDX
00402538: 7504                     JNZ 40253E；非4字节对齐，继续填0
0040253A: 5F                       POP EDI
0040253B: C20800                   RETN 0008
0040253E: F3AA                     REP STOSB
00402540: 5F                       POP EDI
00402541: C20800                   RETN 0008

高级语言似乎不提供修改标志寄存器的功能，CLD可以省掉。在编译过程中比较需要填0的内存是否4字节对齐，把比较语句也省了。这里的代码没有以函数的形式出现，当然连传递参数和保存环境的代码也省了。至于RtlMoveMemory，编译器用下面代码代替：
.text:00010614                 movzx   eax, word ptr [esi]
.text:00010617                 push    eax             ; size_t
.text:00010618                 push    dword ptr [esi+4] ; void *
.text:0001061B                 push    [ebp+Path]      ; void *
.text:0001061E                 call    ds:memmove
选择使用MEMMOVE而不是RtlMoveMemory。简单分析了一下，前者为每种情况都准备了一个独立的处理例程，通过跳转表的形式来实现，后者则是使用了不少比较命令。由于代码量较多，有兴趣的可以自己看看。
编译出来的程序，至少在代码段，看起来跟RING 3没有什么区别，同样可以通过程序实现的功能和驱动导入表，估计程序用了什么API，下断，并最终定位目标功能代码。我们需要做的事，只是熟悉这些API和一些常用的RING0机制，然后就可以象分析RING 3程序一样分析RING 0了。下面我将把重点放在API的解释。程序下一个调用的API是RtlQueryRegistryValues，MSDN可以查得该函数的功能是访问注册表。其中一个参数的结构如下：
typedef struct _RTL_QUERY_REGISTRY_TABLE {
    PRTL_QUERY_REGISTRY_ROUTINE QueryRoutine;
    ULONG Flags;
    PWSTR Name;
    PVOID EntryContext;
    ULONG DefaultType;
    PVOID DefaultData;
    ULONG DefaultLength;
} RTL_QUERY_REGISTRY_TABLE, *PRTL_QUERY_REGISTRY_TABLE;
关于Flags标记，可用的常量如下：
RTL_QUERY_REGISTRY_SUBKEY
RTL_QUERY_REGISTRY_TOPKEY
RTL_QUERY_REGISTRY_REQUIRED
RTL_QUERY_REGISTRY_NOVALUE
RTL_QUERY_REGISTRY_NOEXPAND
RTL_QUERY_REGISTRY_DIRECT
RTL_QUERY_REGISTRY_DELETE
对于这类型常量定义，从1（二进制）开始，第二个是10（二进制）,第三个是100（二进制），如此类推。源代码中使用的是RTL_QUERY_REGISTRY_DIRECT，所以有如下代码：
.text:0001064F                 mov     [ebp+QueryTable.Flags], 20h
这里有点想不明白，在此API调用之前的大段代码和几个API的调用，都是为了初始化此API的Path参数。为什么不能直接使用入口参数RegistryPath的BUFFER，而要另外分配内存，转移数据在作为传入参数？另外在此API的注释中看到这一句话“The table must be allocated from nonpaged pool.”。程序没有申请一块nonpaged内存存放QueryTable结构，而是直接使用堆栈。难道RING 0下的堆栈都是nonpaged的？此外程序此后并没有对该API的返回值或者返回数据作任何处理。这里大胆假设一下到目前为止的代码都是垃圾代码。另外我注意到编译器的对于每行代码几乎都是很机械的编译，下面源代码：
    paramTable[0].EntryContext = &startType;
    paramTable[0].DefaultType = REG_DWORD;
    paramTable[0].DefaultData = &startType;
对应的反汇编代码：
.text:00010634                 lea     eax, [ebp+var_4]
.text:00010637                 push    4
.text:00010639                 mov     [ebp+QueryTable.EntryContext], eax
.text:0001063C                 lea     eax, [ebp+var_4]
.text:0001063F                 pop     edi
.text:00010640                 mov     [ebp+QueryTable.DefaultData], eax
编译器将相同的赋值语句归类了，但是却对EAX重复赋值，显然0001063C处的代码可以省略。接下来是ZwOpenKey。根据NTSTATUS的定义（详见WINDDK中的ntstatus.h），最高位有如下定义：
//          00 – Success      ；对应的16进制最高位0
//          01 – Informational    ；4
//          10 – Warning      ；8
//          11 – Error        ；c
比较是否成功调用的代码是：
.text:0001069D                 test    eax, eax
.text:0001069F                 jl      short loc_106CF；最高位为1（调用失败），跳
在RING 3下API调用失败返回的是-1，NATIVE API则是以返回值的最高位来判断调用是否成功。
.text:00010675                 lea     eax, [ebp+Handle]
.text:00010678                 push    20006h          ; DesiredAccess
.text:0001067D                 push    eax             ; KeyHandle
.text:0001067E                 mov     [ebp+ObjectAttributes.RootDirectory], ebx
.text:00010681                 mov     [ebp+ObjectAttributes.Attributes], 40h
.text:00010688                 mov     [ebp+ObjectAttributes.ObjectName], esi
.text:0001068B                 mov     [ebp+ObjectAttributes.SecurityDescriptor], ebx
.text:0001068E                 mov     [ebp+ObjectAttributes.SecurityQualityOfService], ebx
.text:00010691                 call    ds:ZwOpenKey
由上面代码可知，该API的KeyHandle参数，使用的就是DriverEntry的第二个参数。也就是说KeyHandle其实就是一个UNICODE_STRING结构。搞不懂micro$oft，一样的东西搞这么多概念干什么。另外想不明白的是，假如该API调用成功，将会在注册表写入一些数据。但是对程序的运行没有影响。ZwOpenKey调用失败了反而省了几行代码。随后是IoCreateDevice和IoCreateSymbolicLink建立驱动对象和符号连接，API调用失败则把建立的对象和符号连接删除。为IRP_MJ_SHUTDOWN，IRP_MJ_CREATE，IRP_MJ_CLOSE和IRP_MJ_DEVICE_CONTROL分派处理例程。分别有下面对应关系：
       名称                                    描述                            调用的API
IRP_MJ_CREATE                       请求一个句柄                           CreateFile
IRP_MJ_CLOSE                       关闭句柄                             CloseHandle
IRP_MJ_DEVICE_CONTROL        控制操作（利用IOCTL宏）        DeviceIoControl
IRP_MJ_SHUTDOWN                   系统关闭                                InitiateSystemShutdown
当RING 3程序调用上述API对驱动进行操作时，系统会查找该IRP对应的处理例程地址，并调用该例程。
.text:0001071B                 mov     eax, offset sub_104B4
.text:00010720                 cmp     edi, ebx
.text:00010722                 mov     [esi+70h], eax
.text:00010725                 mov     [esi+40h], eax
.text:00010728                 mov     [esi+38h], eax
.text:0001072B                 mov     [esi+78h], eax
此处ESI指向的是DriverEntry的第一个参数DriverObject。+38h是IRP_MJ_CREATE，+40h是IRP_MJ_CLOSE。具体请查阅WINDDK中的wdm.h。
.text:0001074E                 mov     eax, ds:KeServiceDescriptorTable
.text:00010753                 mov     dword_1080C, eax
执行完这两行代码，把SSDT存到全局变量中便结束了DriverEntry例程，也就是说驱动的初始化完毕了。实现驱动功能的代码在IRP例程中，这让我想起RING 3下的消息环。下面来看看sub_104B4：
.text:000104B4 sub_104B4       proc near               ; DATA XREF: start+187 o
.text:000104B4                  ；按照IRPDispatch例程的定义
.text:000104B4 arg_0           = dword ptr  8      ；DeviceObject
.text:000104B4 arg_4           = dword ptr  0Ch    ；pIrp
关于pIrp结构，MSDN中的定义不完整。对照源代码可知:
+0ch    DWORD    AssociatedIrp.SystemBuffer
+18h    DWORD    IoStatus.Status
+1Ch    DWORD    IoStatus.Information
+3ch    DWORD    UserBuffer
+60h    DWORD    irpStack
irpStack:
+00h    BYTE    MajorFunction ，查询WINDDK中的WDM.h可知
#define IRP_MJ_CREATE                      0x00
#define IRP_MJ_CLOSE                      0x02
#define IRP_MJ_DEVICE_CONTROL           0x0e
#define IRP_MJ_SHUTDOWN                 0x10
+04h    DWORD    Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength
+08h    DWORD    Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength
+0ch    DWORD    Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode
+18h    DWORD    FileObject
该函数根据不同的IRP消息，进入不同的流程。其中从IRP_MJ_DEVICE_CONTROL的处理流程可知，当IoControlCode的低3位为111（二进制，即METHOD_NEITHER）时，驱动程序使用UserBuffer返回数据，反之则使用SystemBuffer。现在来看看sub_103DA，即是源代码中的HDHookDeviceControl函数：
.text:000103EB                 cmp     ecx, 83050000h
.text:000103F1                 jz      loc_104A7
.text:000103F1
.text:000103F7                 cmp     ecx, 83050004h
.text:000103FD                 jz      loc_104A0
.text:000103FD
.text:00010403                 cmp     ecx, 83050008h
.text:00010409                 jz      short loc_1047E
.text:00010409
.text:0001040B                 cmp     ecx, 8305000Ch
.text:00010411                 jz      short loc_10452
.text:00010411
.text:00010413                 cmp     ecx, 83050010h
.text:00010419                 jz      short loc_10426
函数将IoControlCode保存在ECX中，经过对比跳转到相关代码中。在用户态程序中，通过下面API与驱动进行通信：
BOOL DeviceIoControl(
    HANDLE hDevice,  // handle to device of interest
    DWORD dwIoControlCode,  // control code of operation to perform
    LPVOID lpInBuffer,  // pointer to buffer to supply input data
    DWORD nInBufferSize,  // size of input buffer
    LPVOID lpOutBuffer,  // pointer to buffer to receive output data
    DWORD nOutBufferSize,  // size of output buffer
    LPDWORD lpBytesReturned,  // pointer to variable to receive output byte count
    LPOVERLAPPED lpOverlapped   // pointer to overlapped structure for asynchronous operation
   );
也就是说，拦截该API，取得dwIoControlCode，在IRP分派例程的入口下条件断点。然后便可以定位驱动中相关的功能代码。我想看到这里，大家都大概了解RING 0的一些机制，并且能尝试动态调试一些程序了。该程序大部分代码的功能Rockhard在他的贴里已经讲得很清楚了，除了如何取得系统调用号。我们知道系统调用号随着系统版本，甚至SP之间也会有所不同，如何兼容各版本？我对此很感兴趣，先看看源代码：
VOID HookStart( void )
{
    if( !IsHooked ) {
        RealZwDeviceIoControlFile = SYSCALL( ZwDeviceIoControlFile );
        SYSCALL( ZwDeviceIoControlFile ) = (PVOID) HookZwDeviceIoControlFile;
        IsHooked = TRUE;
    }
}
你能想象这样的代码能取得ZwDeviceIoControlFile在SSDT中的位置吗？现在再让我们看看反汇编代码：
.text:00010381                 mov     eax, ds:ZwDeviceIoControlFile
.text:00010386                 mov     ecx, ssdt
.text:0001038C                 push    esi
.text:0001038D                 mov     edx, [eax+1]；这里有点奇怪，取函数的机械码？
.text:00010390                 mov     esi, [ecx]
.text:00010392                 mov     edx, [esi+edx*4]
.text:00010395                 pop     esi
.text:00010396                 mov     dword_10814, edx
.text:0001039C                 mov     eax, [eax+1]
.text:0001039F                 mov     ecx, [ecx]
.text:000103A1                 mov     dword ptr [ecx+eax*4], offset sub_1030E
现在让我们来看看ZwDeviceIoControlFile的代码：
00400BC6: B838000000               MOV EAX, 00000038
00400BCB: 8D542404                 LEA EDX, [ESP+04]
00400BCF: CD2E                     INT 2E
00400BD1: C22800                   RETN 0028
入口点加1，便是系统调用号。最后感谢所有看到这里的人