Драйверы режима ядра: Часть 1: Основные понятия — Архив WASM.RU

Обзор архитектуры

Внутренний мир Windows 2000 разделен на две части с четко обозначенными границами, как в плане адресного пространства, так и в плане прав и обязанностей кода в этом адресном пространстве выполняющегося.

С разделением адресного пространства все на удивление просто. Все четыре, доступного в 32-х разрядной архитектуре, гигабайта разделены на две равные части (4GT RAM Tuning и Physical Address Extension я опускаю как зкзотические). Нижняя половина отдана процессам пользовательского режима, верхняя принадлежит ядру.

С разделением прав и обязанностей немного сложнее.

К пользовательским относятся следующие процессы:

• Процессы поддержки системы (System Support Processes) - например, процесс входа в систему Winlogon (реализован в \%SystemRoot%\System32\Winlogon.exe);
• Процессы сервисов (Service Processes) - например, спулер печати;
• Пользовательские приложения (User Applications) - бывают пяти типов: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX и OS/2;
• Подсистемы окружения (Environment Subsystems) - поддерживается три подсистемы окружения: Win32 (реализована в \%SystemRoot%\System32\Csrss.exe), POSIX (реализована в \%SystemRoot%\System32\Psxss.exe), OS/2 (реализована в \%SystemRoot%\System32\os2ss.exe).

Ядро состоит из следующих компонентов:

Исполнительная система (Executive) - управление памятью, процессами и потоками и др.;
• Ядро (Kernel) - планирование потоков, диспетчеризация прерываний и исключений и др. (реализовано в \%SystemRoot%\System32\Ntoskrnl.exe);
• Драйверы устройств (Device Drivers) - драйверы аппаратных устройств, сетевые драйверы, драйверы файловых систем;
• Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstraction Layer, HAL) - изолирует три вышеперечисленных компонента от различий между аппаратными архитектурами (реализован в \%SystemRoot%\System32\Hal.dll);
• Подсистема поддержки окон и графики (Windowing And Graphics System) - функции графического пользовательского интерфейса (Graphic User Interface, GUI) (реализована в \%SystemRoot%\System32\Win32k.sys).

Рис. 1-1. Упрощенная схема архитектуры Windows 2000

Режим пользователя и режим ядра

Хотя процессоры семейства Intel x86 поддерживают четыре уровня привилегий (называемых кольцами защиты), в Windows используются только два : 0-ой для режима ядра и 3-ий для режима пользователя. Это связано с поддержкой других процессоров (alpha, mips), в которых реализовано только два уровня привилегий. Предыдущие выпуски Windows NT поддерживали эти архитектуры, но в Windows 2000 осталась поддержка только x86.

Компоненты пользовательского режима имеют свои защищенные адресные пространства, потоки этих процессов выполняются в непривилегированном режиме процессора (называемом пользовательским), не могут выполнять привилегированные команды процессора, имеют ограниченный и опосредованный доступ к системным данным, и к системному адресному пространству, не имеют прямого доступа к оборудованию. Правда, в процессе своей работы, потоки этих процессов, вызывая системные сервисы, переходят в режим ядра, но в этом случае полностью теряют контроль над своим выполнением до возвращения обратно в режим пользователя.

Процессы пользовательского режима рассматриваются как потенциально опасные с точки зрения стабильности системы. Их права ограничиваются. И всяческие попытки выйти за пределы этих ограничений жестко пресекаются.

Компоненты ядра разделяют единое адресное пространство, выполняются в привилегированном режиме процессора (называемом режимом ядра), могут выполнять все, в том числе и привилегированные, команды процессора, имеют неограниченный и прямой доступ к системным данным и коду, имеют прямой, или через HAL, доступ к оборудованию.

Код ядра (собственно это и есть сама система) рассматривается как полностью доверительный. Поэтому, будучи загруженным в системное адресное пространство, драйвер становится частью системы и на него не накладываются какие-либо ограничения.

Таким образом пользовательские приложения отделены от собственно операционной системы. Если вы зададитесь целью написать сколь-нибудь серьезное приложение, для работы которого необходим доступ к внутренним функциям или структурам данных системы, то столкнетесь со множеством ограничений, преодолеть которые можно только разместив свой код в системном адресном пространстве. Из документированных существует только один способ это сделать - установить драйвер устройства. Способ этот относительно прост, надежен, а главное, полностью обеспечен поддержкой со стороны самой операционной системы.

Драйверы Windows 2000

Windows 2000 поддерживает множество типов драйверов устройств.

Существует два базовых, которые имеют своих представителей:

• Драйверы пользовательского режима (User-Mode Drivers):
  • Драйверы виртуальных устройств (Virtual Device Drivers, VDD) - используются для поддержки программ MS-DOS (не путать с VxD драйверами в Windows 95/98 - это совсем разные вещи, хотя и имеют одно название);
  • Драйверы принтеров (Printer Drivers).
• Драйверы режима ядра (Kernel-Mode Drivers):
  • Драйверы файловой системы (File System Drivers) - реализуют ввод-вывод на локальные и сетевые диски;
  • Унаследованные драйверы (Legacy Drivers) - написаны для предыдущих версий Windows NT;
  • Драйверы видеоадаптеров (Video Drivers) - реализуют графические операции;
  • Драйверы потоковых устройств (Streaming Drivers) - реализуют ввод-вывод видео и звука;
  • WDM-драйверы (Windows Driver Model, WDM) - поддерживают технологию Plag and Play и управления электропитанием. Их отличительной особенностью является совместимость на уровне исходного кода между Windows 98, Windows ME и Windows 2000.

В разных источниках вы можете встретить классификацию немного отличную от приведенной выше, это не суть важно. Важно то, что драйверы, которые мы будем писать, не подпадают ни под один из пунктов этой классификации. Это ни драйверы файловой системы, ни унаследованные драйверы, ни драйверы видеоадаптеров или звуковых карт, ни WDM-драйверы, т.к. не поддерживают Plag'n'Play и управление электропитанием. Это не драйверы пользовательского режима (это вообще не интересно). На самом деле это просто черт знает что такое, т.к. система сама позволяет легко и просто добавить в саму себя код непонятно для какого устройства, и делать с ней все что угодно! Это как если бы к вам ночью в дверь постучался совершенно незнакомый человек, и вы ни слова не говоря впустили бы его на ночлег, да еще уложили бы в свою постель! Однако, это не является каким-то багом или дырой в системе безопастности. Просто система работает так, как она работает. Иначе и быть не может, т.к. взаимодействуя с окружением, система вынуждена предоставлять к себе доступ. И если бы это было не так, то это была бы полностью закрытая, а значит, бесполезная система.

Как следует из самого названия, драйвер устройства это программа предназначенная для управления каким-то устройством, причем устройство это не обязательно должно быть физическим. Оно может быть логическим или, как в нашем случае, виртуальным.

По своей структуре драйвер устройства является ни чем иным как файлом PE-формата (Portable Executable, PE). Таким же как обычные exe и dll. Только загружается и работает по другим правилам. Драйверы можно рассматривать как DLL режима ядра, предназначенные для выполнения задач не решаемых из пользовательского режима. Принципиальная разница здесь (не считая уровня привилегий) в том, что мы не сможем напрямую обращаться к драйверу, ни к его коду, ни к его данным, а будем пользоваться специальным механизмом предоставляемым диспетчером ввода-вывода (Input/Output Manager). Диспетчер ввода-вывода обеспечивает среду для функционирования драйверов, а также предоставляет механизмы для их загрузки, выгрузки и управления ими.

Приступая к разработке драйверов режима ядра, вы почувствуете себя совершенным новичком, т.к. весь предыдущий опыт использования API тут не поможет - ядро предоставляет совершенно другой набор функций. Также придется пользоваться плохо документированными (определенными только в заголовочных файлах) или вовсе недокументированными функциями и структурами данных.

Одно- и многоуровневые драйверы

Большинство драйверов управляющих физическими устройствами являются многоуровневыми (layered drivers). Обработка запроса ввода-вывода разделяется между несколькими драйверами. Каждый выполняет свою часть работы. Например, запрос на чтение файла передается драйверу файловой системы, котрый, выполнив некоторые операции (например, разбиение запроса на несколько частей), передает его "ниже" - драйверу диска, а тот, в свою очередь, отправляет запрос драйверу шины. Кроме того между этими драйверами можно добавить любое количество драйверов-фильтров (например, шифрующих данные). Выполнив запрос нижестоящий драйвер (lower-level driver) передает его результаты "наверх" - вышестоящему (higher-level driver). Но, к счастью, у нас все будет значительно проще. Наши драйверы всегда будут одноуровневыми (monolithic drivers), что сильно упростит весь процесс их написания и отладки.

Контекст потока

Поскольку, в большинстве случаев, мы имеем всего один процессор, а приложений, которые нужно выполнять много, то естественно, что для создания иллюзии одновременного их выполнения надо последовательно подключать эти приложения к процессору, причем очень быстро. Эта процедура называется переключением контекста потока (thread context switching). Если система переключает контекст потоков принадлежащих одному процессу, то необходимо сохранить значение регистров процессора отключаемого потока, и загрузить, предварительно сохраненные значения регистров процессора подключаемого потока. И обновить кое-какие структуры данных. Если же подключаемый поток принадлежит другому процессу, то необходимо еще в регистр CR3 процессора загрузить указатель на каталог страниц (page directory) процесса. Так как каждому пользовательскому процессу предоставлено закрытое адресное пространство, то у разных процессов разные проекции адресных пространств, а значит, и разные каталоги страниц и наборы таблиц страниц по которым процессор транслирует виртуальные адреса в физические. Все это не имеет прямого отношения к программированию драйверов. Но я напоминаю об этом в связи вот с чем. Так как переключение контекста операция не самая быстрая, то драйверы, по соображениям лучшей производительности, как правило, не создают своих потоков. Но код драйвера все же нужно выполнять. Поэтому, для экономии времени на переключение контекстов, драйверы выполняются в режиме ядра в одном из трех контекстов:

• в контексте пользовательского потока инициировавшего запрос ввода-вывода;
• в контексте системного потока режима ядра (эти потоки принадлежат процессу System);
• как результат прерывания (а значит, не в контексте какого-либо процесса или потока, который был текущим на момент прерывания).

Не совсем понимаю как можно выполнить что-то "не в контексте какого-либо процесса или потока", но учитывая авторитет людей это написавших (Д. Соломон и М. Руссинович), а также то, что нам это не понадобится, т.к. мы не будем обрабатывать ни программные, ни тем более, аппаратные прерывания, про третий случай можно сразу забыть. Остаются первые два варианта. Если инициируется запрос ввода-вывода, то мы в контексте потока этот запрос инициировавшего, и значит, можем напрямую обращаться к адресному пространству процесса которому этот поток принадлежит. Если мы в контексте системного потока, то ни к какому пользовательскому процессу обращаться напрямую не можем, а к системному мы и так всегда можем обратиться. Если нужно из драйвера посмотреть, что там у какого-нибудь процесса лежит по такому-то адресу, то придется либо самим переключать контекст, либо по таблицам страниц транслировать адреса.

Уровни запросов прерываний

Прерывание - неотъемлемая часть любой операционной системы. Прерывание требует обработки, поэтому выполнение текущего кода прекращается и управление передается обработчику прерывания. Существуют как аппаратные, так и программные прерывания. Прерывания обслуживаются в соответствии с их приоритетом. Windows 2000 использует схему приоритетов прерываний, известную под названием уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL). Всего существует 32 уровня, с 0 (passive), имеющего самый низкий приоритет, по 31 (high), имеющего соответственно самый высокий. Причем, прерывания с IRQL=0 (passive) по IRQL=2 (DPC\dispatch) являются программными, а прерывания с IRQL=3 (device 1) по IRQL=31 (high) являются аппаратными. Не путайте уровни приоритета прерываний с уровнями приоритетов потоков - это совсем разные вещи. Прерывание с уровнем IRQL=0, строго говоря, прерыванием не является, т.к. оно не может прервать работу никакого кода (ведь для этого этот код должен выполняться на еще более низком уровне прерывания, а такого уровня нет). На этом IRQL выполняются потоки пользовательского режима. И код наших драйверов тоже будет выполняться на этом IRQL. Это отнюдь не означает, что код любого драйвера всегда выполняется на уровне "passive". Просто мы не будем обрабатывать ни программные, ни тем более аппаратные прерывания. А отсюда следуют, по крайней мере, два очень важных вывода.

Первый: работа наших драйверов может быть в любой момент прервана, для обработки прерывания с более высоким приоритетом (например, от таймера, когда планировщик посчитает, что наш поток и так уже достаточно долго имеет процессор, и пора ему отдохнуть). Поэтому, в этом смысле, код наших драйверов является прерываемым и вытесняемым (процессор отдается другому потоку), точно также как и код любого пользовательского потока. Существуют функции ядра позволяющие узнать текущий уровень прерывания, а также повысить или понизить его.

Второй важный момент: на уровне прерывания passive можно вызывать любые функции ядра (в DDK в описании каждой функции обязательно указано, на каком уровне прерывания ее можно вызывать), а также обращаться к страницам памяти сброшенным в файл подкачки. На более высоких уровнях прерывания (DPC/dispath и выше), попытка обращения к странице отсутствующей в физической памяти приводит к краху системы, т.к. диспетчер памяти (Memory Manager) не может обработать ошибку страницы.

"Голубой экран смерти"

Думаю каждый, хотя бы один раз, видел волнующую картину под названием "голубой экран смерти" (Blue Screen Of Death, BSOD). Наверное, нет необходимости объяснять, что это такое и почему возникает. Важно здесь то, что взявшись за разработку драйверов режима ядра, приготовьтесь к тому, что BSOD дастаточно часто будет появляться на экране вашего монитора.

В третьем кольце все было просто: набросал примерный код, расставил int3 где надо, запустил и... в отладчике уже разбираешься что к чему. Если что-то не так - прибил, исправил ошибки, перекомпилировал... и так далее, до тех пор пока код не заработает как надо. При программировании драйверов об этой технике можно забыть. Тут "сапер" ошибается один раз. Одно неверное движение... и можно откинуться на спинку кресла и минутку расслабиться.

Для того чтобы видеть BSOD как можно реже следует придерживаться одного очень простого правила: "Семь раз отмерь - один отрежь"... в смысле "Семь раз проверь - один запусти". Это конечно просто сказать, но значительно труднее сделать. Но как правило, учитывая то, что структура драйверов, которые вы будете писать (после прочтения этих статей), относительно проста, можно разобраться с ошибками и до появления BSOD. Если же он упорно появляется перед вашими глазами, и вы никак не можете понять причину, возможным способом прояснить ситуацию является анализ аварийного дампа (crash dump). О том, что это такое, как его сделать и анализировать можно почитать в статье Марка Руссиновича "Анализ аварийных дампов памяти" http://www.osp.ru/win2000/2001/03/025.htm. Дело это (анализ) очень непростое, но думаю, что до этого не дойдет.

Теоретик из меня хреновый, так что все вышесказанное вы можете рассматривать как очень базовые сведения о тех принципах, которые совершенно необходимо понимать. Нельзя приступать к разработке драйверов режима ядра не имея понятия о том, что такое контекст потока, уровни прерываний и приоритеты потоков, режим ядра/пользователя и т.д. и т.п. Чувствуете себе неуверенно в каком-то вопросе - список литературы внизу.

Теперь осветим кое-какие более практические вещи (совсем практическими они станут в следующих статьях), а именно, что нам понадобится, чтобы всю эту теорию превратить в практику.

Driver Development Kit

Первое это конечно Комплект разработки драйверов устройств (Windows 2000 Driver Development Kit, 2KDDK), который можно свободно скачать с сайта Microsoft (во всяком случе я сливал его совершенно безвозмездно отсюда: http://www.microsoft.com/ddk/). В этот пакет входит документация, которая является богатым источником информации о внутренних структурах данных и внутрисистемных функциях используемых драйверами устройств.

Помимо документации в DDK входит набор библиотечных файлов (*.lib), которые будут совершенно необходимы при компоновке. В DDK входит два комплекта этих файлов: для окончательной версии Windows (называемой свободным выпуском (free build)); и для отладочной (называемой проверочным выпуском (checked build)). Находятся эти файлы в каталогах %ddk%\libfre\i386 и %ddk%\libchk\i386 соответственно. Отладочная версия отличается более строгой проверкой ошибок. Использовать нужно файлы соответствующие вашей версии системы поместив их в каталог \masm32\lib\w2k.

Включаемые файлы

Также нам понадобятся включаемые (*.inc) файлы с определениями прототипов функций. Их нам (точнее мне ) тоже придется делать самим. Я перепробовал много разных утилит, конвертирующих *.lib -> *.inc, как входящих в пакет masm32 by hutch, так и слитых мной в разное время с бескрайних просторов Internet. Из всех что имеются у меня в наличии, только protoize.exe by f0dder справилась со своей задачей, и мне практически ничего не пришлось править руками. Эта замечательная тулза будет лежать в каталоге \tools\protoize. Сайт автора: http://f0dder.didjitalyphrozen.com/. Только вы ее там не найдете. f0dder несколько раз постил эту утилиту в конференции http://board.win32asmcommunity.net/. Инклуды будут лежать в каталоге \include\w2k. Их следует поместить в каталог \masm32\include\w2k. Для конвертации использовались *.lib для свободного выпуска Windows 2000, т. к. у меня стоит именно этот вариант (и у вас, наверняка, тоже).

Следующая проблема более серьезна. Это практически полное отсутствие включаемых файлов с определениями необходимых структур, символьных констант и макросов. Найти что-либо путное в сети вы вряд ли сможете - уж слишком экзотическое это занятие - писать драйверы режима ядра на ассемблере. Кое-что можно найти у EliCZ http://www.anticracking.sk/EliCZ/. Кое-что у Y0da http://mitglied.lycos.de/yoda2k/index.htm (частично сделаное им самим, частично взятое у того же EliCZ). Но сделано это из рук вон плохо, (при всем моем глубоком уважении к нашим словакскому и немецкому коллегам): имена членов многих структур отличаются от определенных в оригинальных заголовочных файлах из DDK; вложенные структуры и обьединения не имеют имен; хотя в оригинале они именованы. И вообще, все находится в некотором беспорядке, и при просмотре вызывает удручающее впечатление. Неплохо сделан только ntstatus.inc. Частично это объясняется тем, что EliCZ начал создавать свои инклуды еще в отсутствие у него DDK (как он сам говорит). В любом случае, я не советую вам их использовать, по крайней мере без тщательной проверки. Кое-что, в свое время, мелькало в конференции http://board.win32asmcommunity.net/, но качество тоже не особо впечатляет. Короче, единственно правильное решение в данной ситуации - делать все самим, причем вручную, т. к. какие-либо тулзы, позволяющие автоматизировать этот процесс, мне не известны. Если вы, вдруг, наткнетесь на что-то стоящее, не сочтите за труд - дайте мне знать.

Отладка драйверов

Также нам потребуется отладчик, причем, поскольку отлаживать придется код режима ядра, то и отладчик нужен соответствующий. Самым лучшим выбором будет SoftICE. Или можно воспользоваться Kernel Debugger входящим в состав DDK. Этот отладчик требует двух компьютеров - ведущего и ведомого, что не каждый может себе позволить. Марк Руссинович (Mark Russinovich, http://www.sysinternals.com/) написал утилиту LiveKd, которая позволяет использовать Kernel Debugger без подключения второго компьютера. Не знаю есть ли она на сайте (не проверял), но на диске к книжке "Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000" имеется. Также этот отладчик чрезвычайно полезен для исследования внутреннего устройства системы, при условии что у вас установлены отладочные символы, которые можно (или было можно) свободно скачать с сайта Microsoft.

Что почитать

Дэвид Соломон, Марк Руссинович, "Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000", изд. "Питер", 2001.

Хотя в этой книге нет ни одной строчки исходного кода, она прежде всего для программистов.

Свен Шрайбер, "Недокументированные возможности Windows 2000", изд. "Питер", 2002.

Сугубо практическая книга, в которой раскрыто множество тайн Windows 2000.

Walter Oney, "Programming the Microsoft Driver Model", Microsoft Press, 1999

В этой книге упор сделан на Plag'n'Play драйверы, но это нисколько не умоляет ее достоинств, т.к. базовые принципы разработки драйверов универсальны.

Джеффри Рихтер, "Windows для профессионалов: создание эффективных Win32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows", изд. "Питер", 2000.

Эта книжка не имеет никакого непосредственного отношения к программированию драйверов, но тоже очень интересная ;-)

Этот список ни в коем случае не претендует на полноту. Многое, особенно по английски, можно найти в Internet (кроме Шрайбера, все книги есть в электронном варианте). В отношении книг хочу сказать еще, что все они из разряда "must have". Увидите - покупайте не глядя. Все, кроме Walter'а Oney, переведены на наш "великий и могучий".

И последнее. Я не являюсь большим специалистом в области разработки драйверов, так что ошибки или неточности, как в этой, так и во всех последующих статьях, весьма вероятны. Найдете - смело тыкайте носом. Скажу спасибо.