Курсовая работа: Протоколирование обмена информацией между компьютером и внешним запоминающим USB-устройством
Приведем графическое представление структуры IRP‑пакета:
Рис. 1.5.1 Структура IRP пакета
Общение с USB‑накопителями в ОС Windows NT 5 на уровне драйверов, как уже было сказано в разделе 1.3.1, происходит посредством передачи URB‑пакетов. Указатели на URB‑пакеты содержат ячейки стека IRP‑пакета, доступ к этим указателям осуществляется следующим образом:
…
PIO_STACK_LOCATION IrpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
PURB Urb = IrpSp->Parameters. Others. Argument1;
…
Приведем частичное объявление структуры из справочной документации Microsoft. Отметим только поля, использование которых необходимо в рамках данной курсовой работы:
typedef struct _URB {
union {
struct _URB_HEADER UrbHeader;
struct _URB_SELECT_INTERFACE UrbSelectInterface;
struct _URB_SELECT_CONFIGURATION UrbSelectConfiguration;
struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER UrbBulkOrInterruptTransfer;
}
} URB, *PURB;
Поле UrbHeader хранит информацию о коде URB‑пакета, по которому можно определить, какая операция запрашивается.
Поля UrbSelectInterface и UrbSelectConfiguration служат для запроса по выбору интерфейса и конфигурации устройства, которые будут использоваться при работе с устройством. Пакеты этой структуры отправляются хостом к устройству в начале его работы, при конфигурировании.
Поле UrbBulkOrInterruptTransfer несет наиболее важную в рамках данной курсовой работы информацию указатели на блоки ввода / вывода USB‑устройства. Приведем описание структуры _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER:
struct _URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER {
struct _URB_HEADER Hdr;
USBD_PIPE_HANDLE PipeHandle;
ULONG TransferFlags;
ULONG TransferBufferLength;
PVOID TransferBuffer;
PMDL TransferBufferMDL;};
Поля этой структуры описаны в следующей таблице:
Таблица 1.5.3 Поля структуры URB_BULK_OR_INTERRUPT_TRANSFER
|
Поле |
Описание |
| struct _URB_HEADER Hdr | Стандартный заголовок URB‑пакета, содержащий код запроса |
| USBD_PIPE_HANDLE PipeHandle | Дескриптор канала, на который передаются данные |
| ULONG TransferFlags | Флаги, определяющие направление передачи данных и способ обработки ошибок |
| ULONG TransferBufferLength | Длина передаваемого блока данных в байтах |
| PVOID TransferBuffer | Указатель на передаваемый буфер. Буфер находится в нестраничной памяти |
| PMDL TransferBufferMDL | Указатель на MDL‑список, несущий передаваемую информацию. Буфер находится в страничной памяти |
Следует отметить, что один из указателей TransferBuffer или TransferBufferMDL равен NULL, то есть в пределах одного пакета передается только одна порция данных.
Задача протоколирования обмена информацией сводится к перехвату и сохранению буферов TransferBuffer и TransferBufferMDL.
В каждый момент времени центральный процессор находится на одном из уровней IRQL (Interrupt Request Level – уровень запросов прерываний). Уровни IRQL располагаются в порядке убывания от HIGHEST_LEVEL до PASSIVE_LEVEL. Каждому из прерываний (прерывания от внешних устройств, системные часы, и т.д.) соответствует свой уровень IRQL. Специальным действиям операционной системы также назначены IRQL. Они отмечены в нижней части приведённой таблицы:
Таблица 1.6.1. Уровни запросов прерываний.
|
Уровень |
Назначение |
| HIGHEST_LEVEL | Наивысший уровень. Все прерывания заблокированы |
| POWER_LEVEL | Прерывания по отказу питания |
| IPI_LEVEL | Межпроцессорное взаимодействие |
| CLOCK2_LEVEL | Прерывание по системному таймеру 2 |
| СLOCK1_LEVEL | Прерывание по системному таймеру 1 |
| PROFILE_LEVEL | Прерывание по таймеру замера производительности |
| уровни DRQL | Обычные прерывания устройств |
| DISPATCH_LEVEL | Диспетчеризация потоков и выполнение отложенных процедур |
| APC_LEVEL | Выполнение асинхронного вызова процедуры |
| PASSIVE_LEVEL | Обычное исполнение кода потока |
Общее правило обработки уровней запросов прерываний гласит, что прерывания с IRQL, меньшим, чем у выполняемого в данный момент кода, маскируются. Во время исполнения кода потока (пользовательского или системного) устанавливается наименьший IRQL = 0 (PASSIVE_LEVEL). Работа драйвера чаще всего выполняется на уровне IRQL = 2 (DISPATCH_LEVEL). Уровни, лежащие над ним, называются DIRQL (Device IRQL) и выставляются для обработчиков прерываний от внешних устройств (ISR – interrupt service routine). Даже во время выполнения ISR драйвера может произойти прерывание с большим IRQL, например, принадлежащее другому драйверу.
Чем выше текущий уровень IRQL исполняемого кода, тем меньше функций ему доступно. Так,
например, диспетчер потоков работает на уровне
DISPATCH_LEVEL, и, следовательно, не будет
вызываться, пока на процессоре с уровнем большим или равным DISPATCH_LEVEL исполняется другой код.
Таким образом, на уровнях DISPATCH_LEVEL и выше отключается переключение потоков. Функции ожидания
диспетчерских объектов (события, мьютексы, семафоры) с отличным от нуля временем,
обращение к файлам, подкачка отсутствующих в физической памяти страниц – вс
это также становится недоступным. Для корректного сохранения запросов в файле
фильтр в таких случаях должен применять специальную методику.
1.7 Уведомление о завершении запроса нижестоящим драйвером
При отслеживании обмена данными драйвер-фильтр может получать уведомления о том, что некоторый переданный запрос был завершён нижестоящим драйвером. Механизм уведомления заключается в том, что вызовом специальной функции IoSetCompletionRoutine фильтр обращается к стеку в пакете IRP. В позиции стека, следующей за текущей позицией, он устанавливает в специальном поле адрес функции завершения (completion routine). Затем при передаче пакета по цепочке позиция стека увеличивается.
Когда нижестоящий драйвер отправляет пакет запроса на завершение (вызовом IoCompleteRequest), подсистема ввода / вывода начинает просматривать стек внутри этого пакета от конца к началу. Если в какой-то позиции стека определена функция завершения, управление передаётся ей. Отработав, функция возвращает результат, сигнализирующий об успехе, ошибке или необходимости дальнейшей обработки запроса.
При первых двух вариантах подсистема ввода / вывода переходит к следующей позиции стека и продолжает просмотр, пока не будет достигнуто его начало. После этого запрос завершается нормальным образом.
При третьем же варианте просмотр стека немедленно прекращается и запрос не будет завершён. Эта возможность реализована для того, чтобы драйвер-фильтр мог выполнить какие-либо действия над пакетом запроса после того, как тот будет обработан в нижестоящем драйвере. После такой «дополнительной обработки» пакет снова должен быть отправлен на завершение.
1.8 Работа с файлами в режиме ядра
Поскольку протоколируемая информация должна сохраняться в файле на диске, следует рассмотреть основные функции уровня ядра, используемые при работе с файлами.
Для открытия файла из драйвера режима ядра используется универсальная функция ZwCreateFile. Универсальность этой функции состоит в том, что с ее помощью производится и открытие существующих файлов, и создание новых.
Специфика системной функции ZwCreateFile состоит в том, что она имеет протокольных параметров даже больше, чем пользовательский вызов CreateFile. Существенная часть входной информации об открываемом объекте поступает внутри структуры OBJECT_ATTRIBURTES, которую следует предварительно создать и заполнить соответствующими конкретными данными. Для ведения учетной информации открытого объекта используется структура данных IO_STATUS_BLOCK, которую следует предоставить при вызове (инициализировать ее не следует).
Представим основные параметры функции ZwCreateFile в следующей таблице:
Таблица 1.8.1. Параметры функции ZwCreateFile
|
Тип параметра |
Описание параметра |
| OUT PHANDLE pHandle | Указатель на переменную, куда следует поместить дескриптор открытого объекта |
| IN ACCESS_MASK DesiredAccess |
Характеристика доступа к объекту. Для фалов чаще всего используются значения GENERIC_READ или GENERIC_WRITE |
|
IN POBJECT_ATTRIBUTES pObjAttributes |
Указатель на заполненную вызывающим кодом структуру данных, которая описывает имя, местоположение и некоторые другие характеристики открываемого объекта |
| OUT PIO_STATUS_BLOCK pIOStatus | Указатель на буфер, в котором будет размещена информация об открытом объекте в формате структуры IO_STATUS_BLOCK |
| IN PLARGE_INTEGER AllocationSize | Начальный размер файла в байтах. Ненулевое значение принимается во внимание только при создании и перезаписи файла |
| IN ULONG FileAttributes | Атрибуты открываемого файла. Типовым является значение FILE_ATTRIBUTE_NORMAL |
| IN ULONG SharedAccessFlags | Описывает, разрешен ли совместный доступ, например, FILE_SHARE_READ – для чтения |
| IN ULONG CreateDispositionFlags | Способ открытия файла, например, FILE_OPEN_IF – если не существует, создать |
| IN ULONG CreateOptions | Комбинация флагов создания, например, FILE_SYNCHONOUS_IO_NONALERT – все операции над файлом выполняются как синхронные (DesiredAccess должен включать флаг SYNCHRONIZE) |
| IN PVOID EaBuffer | Для драйверов устройств следует указывать NULL |
| IN ULONG EaLength | Для драйверов устройств следует указывать 0 |
Для заполнения структуры атрибутов объекта используется функция
InitializeObjectAttributes. Опишем ее параметры в следующей таблице:
Таблица 1.8.2. Параметры функции InitializeObjectAttributes
|
Тип параметра |
Описание параметра |
| OUT POBJECT_ATTRIBUTES pObjAttributes | Указатель на переменную, куда следует поместить атрибуты объекта |
| IN PUNICODE_STRING ObjectName | Имя объекта, HANDLE которого создается |
| IN ULONG Attributes | Флаги атрибутов объекта, при открытии файла как правило используются флаги OBJ_CASE_INSENSITIVE и OBJ_KERNEL_HANDLE |
| IN HANDLE RootDirectory | Дескриптор корневой директории для объекта, описатель атрибутов которого создается. Если ObjectName полностью описывает путь к объекту, то значению RootDirectory присваивается NULL |
| IN PSECURITY_DESCRIPTOR SecurityDescriptor | Дескриптор безопасности. Если указано NULL, то применяется стандартный дескриптор |
Запись в файл выполняется системной функцией ZwWriteFile:
Таблица 1.8.3. Параметры функции ZwWriteFile
|
Тип параметра |
Описание параметра |
| IN HANDLE FileHandle | Дескриптор открытого или модифицированного файлового объекта |
| IN HANDLE Event | Для драйверов устройств следует указывать NULL |
| IN PIO_APC_ROUTINE | Для драйверов устройств следует указывать NULL |
| IN PVOID ApcContext | Для драйверов устройств следует указывать NULL |
| OUT PIO_STATUS_BLOCK pioStatusBlock | В поле pIoStatusBlock->Information по завершении вызова находится число реально записанных байт |
| IN PVOID Buffer | Буфер с данными для записи |
| IN ULONG Length | Размер записываемой порции данных |
| IN PLARGE_INTEGER pByteOffset | Указатель на переменную где содержится смещение в файле от его начала, по которому следует производить запись |
| IN PULONG Key | Для драйверов устройств следует указывать NULL |
Для закрытия дескриптора объекта следует применять функцию ZwCloseKey.
