Windows9X內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與策略

摘 要： 在Windows 98或Windows 95下如何高效編寫硬件設(shè)備驅(qū)勸程序是微機(jī)應(yīng)用開發(fā)中迫切需要解決的問(wèn)題。介紹了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（VxD）在Windows 9X下運(yùn)行的機(jī)理和通信策略，以及如何設(shè)計(jì)內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序。

關(guān)鍵詞： 保護(hù)模式 VMM VxD DPMI

1995年Microsoft公司推出了其新一代的桌面操作系統(tǒng)Windows 95，從技術(shù)層面來(lái)看它是為發(fā)揮32位處理優(yōu)越性能而設(shè)計(jì)的一個(gè)32位操作系統(tǒng)。而它出色的穩(wěn)定性，強(qiáng)大的尋址能力，無(wú)不歸功于對(duì)32位處理保護(hù)模式的充分應(yīng)用。具體來(lái)講，它利用了80386的保護(hù)機(jī)制，從操作系統(tǒng)到一般應(yīng)用程序分別分到4個(gè)特權(quán)層上，操作系統(tǒng)享有最高的優(yōu)先級(jí)，被安排在ring-0上運(yùn)行，而優(yōu)先級(jí)最低的普通應(yīng)用程序被安排在ring-3上運(yùn)行。這樣做的好處是如果一般的應(yīng)用程序在ring-3上崩潰將不會(huì)影響到ring-0的操作系統(tǒng)，另一方面也是對(duì)在ring-3上的應(yīng)用程序所能訪問(wèn)到的資源做了一定的限制，從而大大降低了因應(yīng)用程序直接操作而產(chǎn)生的意外錯(cuò)誤。換句話說(shuō)，在Windows 98或Windows 95下，應(yīng)用程序不能像在實(shí)模式下可以隨意操作硬件資源，而需要通過(guò)編寫運(yùn)行在內(nèi)核模式（ring-0）的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（virtual device driver）才能達(dá)到目的。因此，在Windows 9X下如何高效編寫硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是微機(jī)應(yīng)用開發(fā)中迫切需要解決的問(wèn)題。

１ Windows 9X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

確切的說(shuō)Windows 9X不是一個(gè)操作系統(tǒng)，而是一個(gè)操作系統(tǒng)的集合。當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行在保護(hù)模式下時(shí)，有“兩個(gè)”操作系統(tǒng)同時(shí)存在，即Windows 本身和一個(gè)更低的操作系統(tǒng)，我們把它稱為VMM/DPMI(virtual machine manager/Dos protect mode interface)。VMM的主要目的是管理同時(shí)運(yùn)行的32位保護(hù)模式Windows應(yīng)用程序（Win32 applications以及運(yùn)行在虛擬86模式下的MS-DOS程序，前者稱為“線程”（threads），后者稱為VM（virtual machine)。VMM使每一條線程擁有自己的獨(dú)立地址空間，使每一個(gè)VM都“單獨(dú)”占有CPU，并為它們提供各種服務(wù)。從圖１中我們可以看出，threads和VMs所能訪問(wèn)到的資源已不是直接的物理資源，而是被VMM虛擬化virtualized后的虛擬資源了。

另外，VMM是一個(gè)可擴(kuò)充的“操作系統(tǒng)”，它的核心部件以及標(biāo)準(zhǔn)部件（比如，DMA控制器管理VDMAD，中斷管理VPICD等）是由Microsoft提供的。但我們可以編寫一些擴(kuò)充模塊，也就是用VxD來(lái)增強(qiáng)VMM對(duì)硬件的虛擬能力，使整個(gè)操作系統(tǒng)獲得對(duì)新硬件的訪問(wèn)能力。不僅如此，這種擴(kuò)充操作系統(tǒng)的辦法，還能為Win32程序與MS-DOS程序之間的通訊提供一種新的途徑以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MS-DOS設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及內(nèi)存駐留程序TSRs。從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有VxD不能完成的事情，而且由于VxD是運(yùn)行的保護(hù)模式下，所以它并不占有寶貴的常規(guī)內(nèi)存。此外，運(yùn)行實(shí)模式MS-DOS驅(qū)動(dòng)程序所導(dǎo)致的模式切換也不復(fù)存在。因此一般來(lái)講，VxD的運(yùn)行速度要高出MS-DOS驅(qū)動(dòng)程序一倍以上。更重要的是VxD在Windows 9X下可以動(dòng)態(tài)裝入與卸載而不需要重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，這就大大提高了系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)也為即插即用（Plug and Play)提供了可能。與實(shí)模式的驅(qū)動(dòng)程序相比，可動(dòng)態(tài)裝、卸載可謂是一場(chǎng)革命。

２ VxD的結(jié)構(gòu)及通訊策略

普通的Win32應(yīng)用程序都是PE格式（Portable Exectable Format)的，而ＶｘＤ則不同，它沒(méi)有一般程序的進(jìn)出口而是輸出一種稱作設(shè)備描述塊DDB（Device Descriptor Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它包括VxD設(shè)備ID、初始化順序、Win32DeviceIOControl回調(diào)函數(shù)句柄、V86API句柄、PM API句柄等VMM在調(diào)用VxD時(shí)所需要的重要信息。此外，同其他應(yīng)用程序一樣，VxD由五個(gè)段構(gòu)成，它們分別是：

（１）VxD＿CODE段：保護(hù)模式代碼段。該段包含VxD系統(tǒng)控制過(guò)程、回調(diào)過(guò)程、服務(wù)和API過(guò)程。

（２）VxD＿DATA段：保護(hù)模式數(shù)據(jù)段。該段包括設(shè)備描述表、服務(wù)表和部分VxD全局?jǐn)?shù)據(jù)。

（３)VxD＿ICODE段：保護(hù)模式初始化代碼段（可選）。該段一般包括只在VxD初始化過(guò)程中使用的過(guò)程和服務(wù)，VMM在Init＿Complete消息發(fā)生后丟棄此段。

（４）VxD＿IDATA段：保護(hù)模式初始化數(shù)據(jù)段（可選）。該段一般包括初始化過(guò)程和服務(wù)使用的數(shù)據(jù)，VMM在Init＿Complete消息發(fā)生后丟棄此段。

（５）VxD＿REAL＿INIT段：實(shí)模式初始化段（可選）。該段包含實(shí)模式初始化過(guò)程和數(shù)據(jù)，VMM在裝載VxD其它部分之前調(diào)用此過(guò)程，過(guò)程返回后丟棄此段。

當(dāng)VxD裝入內(nèi)存時(shí)，VxD通常要靠DDB中所添入的一個(gè)16位的VxD設(shè)備ID，以區(qū)別于其它VxD。為了防止與其他新VxD沖突，Microsoft通過(guò)請(qǐng)求和注冊(cè)標(biāo)識(shí)來(lái)保證自己的VxD設(shè)備ID沒(méi)有被其它廠商使用，為此Microsoft保留0～01FFH之間的所有VxD設(shè)備ID供自己使用。

在編寫VxD時(shí)首先要編寫VMM的消息處理函數(shù)，以便作相應(yīng)的處理。例如，在VxD裝入內(nèi)存時(shí)VMM對(duì)能動(dòng)態(tài)裝載的VxD發(fā)出SYS＿DYNMAIC＿DEVICE＿INIT消息，在要求卸載VxD時(shí)VMM又向其發(fā)出SYS＿DYNAMIC＿DEVICE＿EXIT消息。在VxD中只需編寫相應(yīng)的處理函數(shù)，便可達(dá)到設(shè)備初始化與卸載釋放資源的目的。拿Win32程序來(lái)說(shuō)，它使用CreateFile API函數(shù)打開可動(dòng)態(tài)裝、卸載的VxD時(shí)VMM便會(huì)發(fā)出SYS＿DYNAMIC＿DEVICE＿INIT消息。相應(yīng)的，當(dāng)它使用CloseHandle API函數(shù)卸載VxD時(shí)VMM便會(huì)發(fā)生SYS＿DYNAMIC＿DEVICE＿EXIT消息。

另外，在具體調(diào)用VxD中的函數(shù)時(shí)，也不像調(diào)用ring-3 DLL中的函數(shù)那樣容易。我們以調(diào)用對(duì)象不同分以下幾種情況討論：

（１）從其他VxD中調(diào)用（ring-0調(diào)用ring-0）

當(dāng)生成VxD時(shí)，所有可以被其他VxD調(diào)用的函數(shù)都列在一個(gè)數(shù)組里，我們稱這種函數(shù)為一個(gè)服務(wù)（Service）、這個(gè)數(shù)組為服務(wù)項(xiàng)目表（Service＿Table。在調(diào)用時(shí)，并不是用服務(wù)的名稱而是直接使用該函數(shù)在數(shù)組中的索引號(hào)。例如對(duì)VMM中的１號(hào)服務(wù)Get＿Cur＿VM＿Handle

可采用如下格式：

int 20h

DD00010001h

32位的DD由兩部分組成，它的高字包含了VxD設(shè)備的ID，低字包含了服務(wù)號(hào)（這里VMM的設(shè)備ID為0001h。

（２）從V86代碼或Win16（保護(hù)模式）代碼中調(diào)用ring-3調(diào)用ring-0

這里應(yīng)用程序要申請(qǐng)被調(diào)用的VxD函數(shù)地址，這個(gè)地址可以通過(guò)int 2FH/AX=1648h調(diào)用獲得。為了識(shí)別是調(diào)用哪一個(gè)VxD的函數(shù)，調(diào)用時(shí)可令BX=VxD設(shè)備ID。當(dāng)int 2Fh指令返回時(shí)，寄存器ES:DI（對(duì)保護(hù)模式有ES:EDI）包含一個(gè)seg:offset（對(duì)保護(hù)模式有selector:offset指針，調(diào)用該指針就可以把控制權(quán)交給運(yùn)行在ring-0下的VxD

（３）從Win32代碼中調(diào)用（ring-3調(diào)用ring-0)

事實(shí)上Microsoft隱藏了Win32的VxD服務(wù)接口，作為替代提供了Windows NT下的設(shè)備輸入、輸出控制（DeviceIOControl)Win32 API。Win32程序通過(guò)使用此函數(shù)向特定的VxD發(fā)送控制碼與數(shù)據(jù)。與此相應(yīng)在編寫VxD時(shí)要提提供一個(gè)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)以響應(yīng)它所發(fā)出的W32＿DeviceIOControl消息，并再去回調(diào)函數(shù)中響應(yīng)相應(yīng)的控制碼，最后還要把該回調(diào)函數(shù)的句柄添加到DDB中。它的定義如下：

BOOL DeviceloControl(

HANDLE hDevice,//用CreateFile API函數(shù)打開VxD設(shè)備獲得的句柄

DWORD dwloControlCode,//ring3程序向VxD傳遞的命令碼（可由編程寫者自定）

LPVOID lpOutBuffer,//程序傳給VxD的數(shù)據(jù)緩存的地址

DWORD nlnBufferSize,//ring3程序傳給VxD的數(shù)據(jù)緩存的字節(jié)數(shù)

LPVOID lpOutBuffer,//VxD的返回?cái)?shù)據(jù)所存放的緩存地址（該緩存由ring-3預(yù)留）

DWORDnOutBufferSize,//VxD的返回?cái)?shù)據(jù)所存放的緩存的字節(jié)數(shù)

LPDWORD lpBytesReturned,//VxD實(shí)際返回?cái)?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

LPOVERLAPPED lpOverlapped //一個(gè)OVERLAPPED的結(jié)構(gòu)地址，通常為NULL）；

由此不難看出這種DeviceIOControl的結(jié)構(gòu)也為VxD向ring-3回傳數(shù)據(jù)提供了一種途徑。這種通訊方式在ＮＴ的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中也得到了廣泛應(yīng)用，它是Microsoft大力提倡的Win32程序應(yīng)采用的一種通訊方式。

３ ＶｘＤ的實(shí)現(xiàn)

從編程工具方面來(lái)看，我們需要Windows 95 DDK和一個(gè)32bit的匯編編譯器，如MASM6.11c，如果打算用C/C++開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的話，還應(yīng)選用一個(gè)32bit的c/c++4.0編譯器，筆者推薦采用Micrfoft Visual C++4.0以上的版本，因?yàn)樗С忠环N新的關(guān)鍵字——declspec(naked) 。采用該關(guān)鍵字的函數(shù)，編譯器將不為其生成相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)出口代碼，這樣對(duì)于采用特殊函數(shù)結(jié)構(gòu)的VxD函數(shù)來(lái)說(shuō)是非常方便的。除此之外，也有一些公司提供了一些VxD向?qū)饕詭椭脩羯蒀/C++的程序框架，使用它們可以大大提高開發(fā)效率，應(yīng)予以考慮，其中最著名的有Vtoolsd95,VxDwriter等。在編程中應(yīng)注意，不要使用C/c++所提供的庫(kù)函數(shù)，特別是Microsoft的MFC，因?yàn)樗鼈兌际沁\(yùn)行在ring-3上的，如果非用不可的話，只有一些個(gè)別函數(shù)能通過(guò)使編譯器生成嵌入式指令來(lái)達(dá)到目的，但這樣做是要相當(dāng)小心的。另外，調(diào)試運(yùn)行在ring-0的驅(qū)動(dòng)程序是相當(dāng)困難的，VC++以及MASM中的調(diào)試均不能滿足需要，而需采用內(nèi)核級(jí)的調(diào)試工具比如Microsoft的WDEB386以及Numega的SoftIce等。

４ VxD的局限性

VxD技術(shù)只適用于Windows 9X操作系統(tǒng)，Windows NT不支持此項(xiàng)技術(shù)，而是采用更為先進(jìn)的面向?qū)ο蟮尿?qū)動(dòng)程序模型，例如Windows 98和Windows 2000就采用了一種基于ＮＴ的驅(qū)動(dòng)程序模型WDM。此外，由于VxD運(yùn)行在ring-0上根本不受ring-3的制約，也給病毒的制造者即黑客以可乘之機(jī)，比如著名的CIH病毒是一個(gè)VxD。