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内核文件管理技术：构建IRP

前言 Windows内核下的Rootkit开发技术学习。用户数据都以文件的形式存储在本地磁盘上，Rootkit等恶意软件想要获取用户的隐私数据就需要有操作文件的功能，包括但不限于增、删、查、改。一般有...

前言
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Windows内核下的Rootkit开发技术学习。

用户数据都以文件的形式存储在本地磁盘上，Rootkit等恶意软件想要获取用户的隐私数据就需要有操作文件的功能，包括但不限于增、删、查、改。一般有三种文件管理的方式，一是基于导出的内核API直接操作文件，二是通过程序直接构造输入输出请求包（I/O Request Package,IRP)并发送IRP来操作文件，三是根据文件系统格式（New Technology File System,NTFS)来解析硬盘上的二进制数据。

Windows处理I/O请求是一个从外到内的流程，用户层发起函数调用经过系统服务调度到内核层，操作系统内核创建对应的IRP，FSD接收到IRP后再传递给驱动程序进行操作文件等一系列操作。由于IRP经过系统服务调度后到达的FSD，所以一些内核级的恶意软件可以模拟操作系统构造IRP，以此来绕过一些API HOOK的操作，或直接操作本地磁盘的文件。

初探IRP
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简单的介绍一下IRP和Windows处理IRP的流程。

IRP简介
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IRP（I/O 请求包，I/O Request Packet）是Windows操作系统内核中用于I/O操作的一个数据结构，IRP 是在驱动程序之间传递的请求，用于描述并跟踪 I/O 操作的状态，它是驱动程序与操作系统之间处理 I/O 请求的关键机制。

IRP大多数由I/O管理器从非分页池分配，也可能由驱动程序创建，这通常用于将请求传递给另一个驱动程序。注意，谁分配了IRP谁就要负责释放。IRP的各个字段也算由I/O管理器或驱动程序进行初始化，之后IRP会被传递给设备栈的驱动程序，每个驱动程序都会处理IRP，并根据需求将其传递给下一个驱动程序。

IRP的结构
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IRP从不单独分配，它总是伴随着一个或多个I/O栈位置结构（IO\_STACK\_LOCATION）。事实上，当一个IRP分配时，调用者必须要指定有多少个I/O栈位置需要跟IRP一起分配。这些栈位置紧跟着IRP，I/O栈位置的数量就是设备栈中设备对象的数量。当驱动程序接收到一个IRP时，它得到的是指向IRP结构的指针，后面跟着一组I/O栈位置，其中一个是给驱动程序使用的。

IRP的结构中还包含许多成员变量，用于存储I/O请求的相关信息。

一些重要字段：

上面成员的部分解释：

- **MdlAddress**：指向描述内存缓冲区的内存描述符列表 (MDL)，用于 DMA 或零拷贝传输。
- **AssociatedIrp**：该联合中**`SystemBuffer`**: 指向系统分配的缓冲区，用于 I/O 操作的数据传输，通常用于直接访问数据的操作。
- **IoStatus**：包含操作的状态信息和返回的字节数等。
- **UserEvent**：指向用户模式的事件对象，用于在 I/O 操作完成时通知用户模式。通常用于同步I/O操作。
- **UserBuffer**：指向用户模式的缓冲区，通常用于输入或输出数据。

除了上面的还有一些比较常见的：

- **UserIosb**：指向用户模式的I/O状态块，用于存储 I/O 操作的最终状态和信息。
- **RequestorMode**：表示发出 I/O 请求的模式，通常为 `UserMode` 或 `KernelMode`。
- **Flags**：存储与 `IRP` 相关的标志位。例如，`IRP_SYNCHRONOUS_API` 表示这是一个同步 API 调用。

还有很多就不一一列出了。具体参考[Wdm.h IRP结构](https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows-hardware/drivers/ddi/wdm/ns-wdm-_irp)

**`IO_STACK_LOCATION` 结构**

`IO_STACK_LOCATION`结构是紧跟着IRP后面的一个结构，用于描述IRP在驱动程序中每一层的具体处理信息（IRP到了这一层后应该干什么）。下图是`IO_STACK_LOCATION`结构的一些重要成员

最关键的`MajorFunction`：IRP的主功能代码（IRP\_MJ\_READ、IRP\_MJ\_CREATA)，在例程中，这个字段决定了驱动程序需要执行的主要操作。

`MinorFunction`次功能代码，表示一些特殊的或次要的操作。

`Parameters`：一个联合体，其中包含了与不同类型的 I/O 请求相关的参数。具体内容取决于`MajorFunction`的值。当主功能代码是`IRP_MJ_READ`，它将包含与读操作相关的信息（如偏移量和读取长度）。

`FileObject`: 指向与当前操作相关的文件对象。这个对象通常表示打开的文件或设备实例。

`DeviceObject`: 指向当前处理IRP的设备对象。通过这个字段，驱动程序可以访问对应的设备对象。

Windows驱动程序处理I/O请求的机制过程
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假设在用户模式中调用`CreateFile`函数，Windows操作系统会将该请求转化成一个IRP，并通过驱动程序栈传递到适当的驱动程序进行处理。

驱动程序栈
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驱动程序栈指的是在Windows操作系统中，不同类型的驱动程序被组织成一个层次结构，每个驱动程序在这个栈中占据一个特定的层级位置。（一个驱动程序“堆叠”在另一个驱动程序上面），每个驱动程序都处理特定的I/O请求，并将处理后的请求传递给下一个层级的驱动程序。

**驱动程序栈的基本层次结构：**

**最顶层：文件系统驱动程序（FSD）**

- **FSD**（File System Driver）处理文件系统相关的请求，如读取、写入、创建文件等。例如，NTFS 和 FAT 是常见的文件系统驱动程序。
- 用户模式的 I/O 请求（如 `CreateFile`、`ReadFile`）通常首先被传递到 FSD 进行处理。

**中间层：文件系统过滤驱动程序（Filter Driver）**

- 这些驱动程序可以在 FSD 和底层硬件驱动程序之间工作，修改或监控 I/O 请求。例如，杀毒软件可能会通过过滤驱动程序检查文件系统活动。
- 过滤驱动程序不直接与硬件通信，而是拦截并处理从上层传递下来的 IRP。

**底层：设备驱动程序（Device Driver）**

- 这些驱动程序直接与硬件设备进行交互，如磁盘驱动程序（例如 `disk.sys`）。
- 设备驱动程序处理特定硬件设备的操作，并最终将请求传递给物理设备。

**最底层：总线驱动程序（Bus Driver）**

- 负责管理系统中不同的硬件总线（如 PCI、USB 等），以及连接到这些总线的设备。
- 总线驱动程序还会处理设备的即插即用（PnP）和电源管理。

FSD（文件系统驱动程序）
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FSD（File System Driver，文件系统驱动程序）是操作系统中管理文件系统操作的关键组件，它负责处理与文件和目录相关的所有操作，如创建、打开、读取、写入、删除文件，以及管理文件系统和结构和元数据。它是操作系统内核的一部分，负责将用户模式的文件操作转换成内核模式的实际磁盘操作。

FSD一般位于驱动程序栈的最上层，负责接收IRP，FSD会解析这些请求，进行路径解析、权限检查等操作。主要是根据IRP的`MajorFunction`来进行特定的处理，假设操作涉及到具体的物理设备（磁盘），FSD会将其请求传递给下一层的设备驱动程序。当FSD完成了这个IRP或者设备驱动程序完成了，它们都会将处理结果返回给I/O管理器。

常见的一些FSD，例如NTFS，这是Windows 操作系统的默认文件系统驱动程序，支持文件加密、压缩、大文件和长文件名。FAT/FAT32，这是用于旧版本的Windows和便携式存储设备的文件系统。CDFS/UDFFS用于光盘文件系统的驱动程序。

I/O请求处理过程
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假设在用户模式下调用`CreateFile`函数，Windows操作系统会将该请求转化成一个IRP，并通过驱动程序栈传递到适当的驱动程序进行处理。

**1. 系统服务调度**

- `CreateFile`会调用内核原生API`NtCreateFile`，将请求发送给内核。
- `NtCreateFile`会做一系列创建I/O请求的操作，其中之一的请求便是创建IRP

**2. 创建IRP并发送**

- 操作系统内核（大多数是I/O管理器）会创建一个IRP并初始化，IRP包含了所有必要的信息，如文件名、访问模式等。然后发送给FSD文件系统驱动程序。

**3. 驱动程序接收IRP**

- FSD接收到IRP后，根据`MajorFunction`主要函数码的类型，将请求传递给相应的分发例程。

**4. 分发例程处理IRP**

- 分发例程解析IRP，执行相应操作。例如对于`IRP_MJ_CREATE`请求，驱动程序会检查文件是否存在、验证是否有访问权限等。如果文件存储在设备中，也可以将IRP传递给下一个驱动程序。
- 传递给下一个驱动程序（例如设备驱动程序），设备驱动程序可能会创建新的子IRP或发起DMA等操作来与硬件进行通信。

**5. 完成IRP**

- 一旦文件系统驱动程序或设备驱动程序完成了相应的操作，它们会将处理结果填入IRP结构的成员`IoStatus`中。然后调用函数`IoCompleteRequest`，表示该IRP已完成。
- I/O管理器会接收IRP返回的信息，并将其传递给用户模式的调用者。

分发例程
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IRP分发例程是驱动程序用来处理各种IRP请求的核心。它负责接收操作系统发送的IRP，根据相应的类型（`MajorFunction`）做出相应的处理。

一般情况下，分发例程被定义为一个回调函数，并且需要特定的函数签名。

函数原型一般如下：

```c
 NTSTATUS MyDriverDispatchRoutine(  
     PDEVICE_OBJECT DeviceObject,  
     PIRP Irp  
 );
```

- `DeviceObject`指向与该请求相关联的设备对象
- `Irp`指示I/O请求包的指针（即IRP结构图中最顶上的irp）

**分发例程的类型：**

| MajorFunction | API | 含义 |
|---|---|---|
| IRP\_MJ\_CREATE | CreateFile、ZwCreateFile | 处理创建文件或设备的请求 |
| IRP\_MJ\_CLOSE | CloseHandle、ZwClose | 处理关闭文件或设备的请求 |
| IRP\_MJ\_READ | ReadFile、ZwReadFile | 处理读请求 |
| IRP\_MJ\_WRITE | WriteFile、ZwWriteFile | 处理写请求 |
| IRP\_MJ\_DEVICE\_CONTROL | DeviceToControl、ZwDeviceToControl | 处理设备控制请求（如 IOCTL 操作） |

分发例程处理IRP请求后，必须要结束这个请求，即告诉操作系统该操作已完成。（如果不这么做，句柄就会泄露，请求进程无法真正终止，进而导致它的包含进程持续存在，从而导致“僵尸进程”）

这时分发例程需要调用`IoCompleteRequest`，这其实是一个宏，它指示调用者已完成对给定 I/O 请求的所有处理并将给定的 IRP 返回给 I/O 管理器。要注意的是，切勿在持有自旋锁时调用`IoCompleteRequest`，在持有自旋锁时尝试完成 IRP 可能会导致死锁。

一个分发例程的示例代码：

```c

NTSTATUS MyDriverCreate(  
     PDEVICE_OBJECT DeviceObject,  
     PIRP Irp  
 )  
 {  
     UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);  
   
     // 设置 IRP 的状态  
     Irp-&gt;IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;  
     Irp-&gt;IoStatus.Information = 0;  
   
     // 完成 IRP  
     IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);  
   
     return STATUS_SUCCESS;  
 }
```

构建IRP创建文件
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函数介绍
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关于IRP的各种机制，缓冲I/O和直接I/O等等等等的内容，留待后续深入研究。

Windows操作系统提供了很多函数来构建IRP，例如：

- `IoAllocateIrp`，该函数仅分配并初始化一个空的IRP，提供了一个基本框架，用于创建和发送自己的I/O请求。
- `IoBuildSynchronousFsdRequest`，该函数不仅分配一个IRP，还根据指定的操作类型（如读、写、创建等）初始化这个IRP。它专门用于构建**同步**的FSD请求，比如读取、写入文件或者创建文件。
- `IoBuildDeviceIoControlRequest`，该函数构建一个IRP，用于设备 I/O 控制请求（IOCTL）。
- `IoBuildAsynchronousFsdRequest`，该函数构建一个IRP，用于**异步**的FSD请求。

除了这四种还有很多针对不同场景和需求的函数，可以自行文档查阅。

### IoAllocateIrp

函数签名：

PIRP IoAllocateIrp(  
 CCHAR StackSize,  
 BOOLEAN ChargeQuota  
 );

- `StackSize`：指定I/O Stack Location的数量。
- `ChargeQuota`：将此设置为TRUE会导致分配给 IRP 的内存占用当前进程的配额。应由中间驱动程序设置为FALSE 。
- 该函数返回一个指向分配并初始化好的 IRP 的指针。

### IoBuildSynchronousFsdRequest

函数签名：

```c
 PIRP IoBuildSynchronousFsdRequest(  
     ULONG MajorFunction,    //主函数代码  
     PDEVICE_OBJECT DeviceObject,    //指向目标设备对象的指针。  
     PVOID Buffer,   //指向要读取或写入的数据缓冲区的指针。  
     ULONG Length,   // 要读取或写入的字节数。  
     PLARGE_INTEGER StartingOffset,  //指定文件中的偏移量，从该偏移量开始进行读或写操作。  
     PKEVENT Event,  //向 KEVENT 结构的指针，该结构用于同步操作。  
     PIO_STATUS_BLOCK IoStatusBlock  //指向 IO\_STATUS\_BLOCK 结构的指针，该结构用于存储操作的状态和信息。  
 );
```

### IoCallDriver

该函数用于将IRP传递给下一个驱动程序（驱动程序之间的通信，通常是传递给更低一级的驱动程序）。

函数签名：

```c

NTSTATUS IoCallDriver(  
   _In_ PDEVICE_OBJECT DeviceObject,  
   _Inout_ PIRP Irp  
 );
```

- `DeviceObject`: 指向下一个驱动程序的设备对象，该驱动程序将接收和处理传递的 IRP。
- `Irp`: 指向要传递的 IRP 数据结构。

先前说过，IRP结构中由多少个I/O堆栈位置，对应了设备驱动栈中的驱动程序有多少。也就是说，`IoCallDriver`函数的目标驱动程序在该IRP中必须要有相应的堆栈位置。同时，一个传递给`IoCallDriver`的IRP传递给较低级的驱动程序后，该IRP不能再被高层的IRP访问，除非高级驱动程序调用了`IoSetCompletionRoutine`为IRP安装一个`IoCompletion`完成例程。

### IoCreateFile

该例程可以创建新的文件或目录，或者打开现有文件、设备、目录或卷，并为调用者提供文件对象的句柄。

函数定义同`ZwCreateFile`有点类似，但它更高级一点，是内核模式专用的文件操作函数。

### ObReferenceObjectByHandle

用于通过给定的句柄获取一个对象的引用指针。

```c
 NTSTATUS ObReferenceObjectByHandle(  
   HANDLE Handle,  
   ACCESS_MASK DesiredAccess,    //所需的访问权限  
   POBJECT_TYPE ObjectType,  //对象的类型  
   KPROCESSOR_MODE AccessMode,   //指定调用者的访问模式，通常为 UserMode 或 KernelMode。  
   PVOID *Object,    //返回指向引用的对象的指针。如果函数成功，这个指针将指向内核对象的内存地址。  
   POBJECT_HANDLE_INFORMATION HandleInformation  
 );
```

实现步骤：
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在这里使用`IoBuildSynchronousFsdRequest`进行构建IRP的工作。使用`IoAllocateIrp`有点麻烦。

实现步骤：
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在这里使用`IoBuildSynchronousFsdRequest`进行构建IRP的工作。使用`IoAllocateIrp`有点麻烦。

在创建文件之前要初始化一个内核事件，该事件用于同步IRP请求的完成；设置对象属性用于文件操作，进行初始化，包括文件名、句柄属性和大小写敏感等。

使用`IoCreateFile`创建一个文件，返回一个文件句柄。

调用函数`ObReferenceObjectByHandle`引用文件对象句柄以获取文件对象指针。

获取设备对象，即获取与文件对象关联的设备对象，这里使用的是`IoGetRelateDeviceObject`函数。

可以开始构造IRP了，使用函数`IoBuildSynchronousFsdRequest`，指定操作类型和目标设备对象等。

函数`IoGetNextIrpStackLocation`获取IRP的下一个堆栈位置并设置文件对象指针。

使用`IoCallDriver`将IRP发送给下一个驱动程序。等待IRP完成。

最后要释放文件对象和关闭文件句柄，释放资源。

代码实现：
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```c
#include

NTSTATUS MyCreateFile(
    PUNICODE_STRING FileName)
{
    NTSTATUS status;
    OBJECT_ATTRIBUTES objectAttributes;
    HANDLE fileHandle = NULL;
    PFILE_OBJECT fileObject = NULL;
    PDEVICE_OBJECT deviceObject = NULL;
    IO_STATUS_BLOCK ioStatusBlock;
    PIRP irp = NULL;
    KEVENT event;

// 初始化事件
    KeInitializeEvent(&amp;event, SynchronizationEvent, FALSE);

// 初始化对象属性
    InitializeObjectAttributes(&amp;objectAttributes, FileName, OBJ_KERNEL_HANDLE | OBJ_CASE_INSENSITIVE, NULL, NULL);

// 创建或打开文件以获取文件句柄
    status = IoCreateFile(
        &amp;fileHandle,
        GENERIC_WRITE | SYNCHRONIZE,
        &amp;objectAttributes,
        &amp;ioStatusBlock,
        NULL,
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE | FILE_SHARE_DELETE,
        FILE_OPEN_IF,
        FILE_SYNCHRONOUS_IO_NONALERT,
        NULL,
        0,
        CreateFileTypeNone,
        NULL,
        IO_NO_PARAMETER_CHECKING
    );

if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrint("IoCreateFile failed: 0x%X\n", status);
        return status;
    }

// 引用文件对象句柄，获取文件对象指针
    status = ObReferenceObjectByHandle(fileHandle, FILE_READ_ACCESS, *IoFileObjectType, KernelMode, (PVOID*)&amp;fileObject, NULL);
    if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrint("ObReferenceObjectByHandle failed: 0x%X\n", status);
        ZwClose(fileHandle);
        return status;
    }

// 获取文件对象关联的设备对象
    deviceObject = IoGetRelatedDeviceObject(fileObject);

// 构建IRP
    irp = IoBuildSynchronousFsdRequest(
        IRP_MJ_WRITE,
        deviceObject,
        NULL, // 没有数据缓冲区
        0,    // 数据长度为0
        NULL, // 目标偏移
        &amp;event,
        &amp;ioStatusBlock
    );

if (irp == NULL) {
        DbgPrint("IoBuildSynchronousFsdRequest failed\n");
        ObDereferenceObject(fileObject);
        ZwClose(fileHandle);
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }

// 设置IRP堆栈位置
    PIO_STACK_LOCATION irpStack = IoGetNextIrpStackLocation(irp);
    irpStack-&gt;FileObject = fileObject;

// 发送IRP
    status = IoCallDriver(deviceObject, irp);
    if (status == STATUS_PENDING) {
        KeWaitForSingleObject(&amp;event, Executive, KernelMode, FALSE, NULL);
        status = ioStatusBlock.Status;
    }

// 判断IRP处理结果并输出调试信息
    if (NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrint("File created successfully");
    }
    else {
        DbgPrint("Failed to create or open file. Status: 0x%X\n", status);
    }

// 清理资源
    ObDereferenceObject(fileObject);
    ZwClose(fileHandle);

return status;
}

VOID MyDriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    DbgPrint("Driver Unload Called\n");
}

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
    UNICODE_STRING fileName;
    RtlInitUnicodeString(&amp;fileName, L"\\??\\C:\\work\\syswork10\\File.txt");

DriverObject-&gt;DriverUnload = MyDriverUnload;

// 调用创建文件的函数
    NTSTATUS status = MyCreateFile(&amp;fileName);
    if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrint("Failed to create file. Status: 0x%X\n", status);
    }

return status;
}
```

测试
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![image.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2024/08/attach-80b58f3656fde58275f32114da475f05df6bb2fa.png)

![image.png](https://shs3.b.qianxin.com/attack_forum/2024/08/attach-0d4dbe82525ce1e6d2e0a62dd2e2b294854f7e60.png)

后言
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创建IRP发送给FSD这一部分代码原先是参考《Windows黑客编程技术详解》的代码，有点过于冗杂了。

其中有一步自定义了一个`FILE_OBJECT`结构，这里实际上很没有必要，自定义后不仅需要自己进行填充字段，然后关键的是需要为`FileName`成员分配内存，后续动态获取该成员，不然调用`ObDereferenceObject`，内核可能会尝试访问已被释放或未初始化的内存，导致系统蓝屏（驱动开发请虚拟机快照实验）。

如果要进行内存分配的话，尽量选择`ExAllocatePool`来为`FileName`动态内存分配。并且在对象销毁时要记得释放内存。

使用`IoCreateFile`函数创建文件的话可以省略很多复杂的基础的操作，例如设置权限状态和安全问题等。但是后面想想如果要开发进行恶意软件开发，需要进行一些高度自定义的操作例如驱动程序中拦截和处理特定的文件系统操作，书中的代码倒正常了。

这里构建IRP并发送IRP还能进行别的操作例如遍历文件、查询文件、读写文件等等，但其实都大同小异，不如研究一下Rootkit驱动程序是如何拦截I/O请求并进行篡改的。

发表于 2024-09-12 10:00:00
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分类：安全开发

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