Windows平台内核级文件访问

Posted 2020-07-31 朝闻道

1.背景 
    在windows平台下，应用程序通常使用API函数来进行文件访问，创建，打开，读写文件。从kernel32的CreateFile/ReadFile/WriteFile函数，到本地系统服务，再到FileSystem及其FilterDriver，经历了很多层次。在每个层次上，都存在着安全防护软件，病毒或者后门作监视或者过滤的机会。作为安全产品开发者，我们需要比别人走得更远，因此我们需要一个底层的“windows平台内核级文件访问”的方法来确保我们能够看到正确的干净的文件系统。 

2.用途 
    直接的内核级别文件访问，在信息安全领域内有广泛的用途。用于入侵者的方面，可以让他绕过杀毒软件，IDS等安全保护系统的监视。用于检测者的方面，可以看到一个干净的系统，以此来查杀隐藏的后门或者rootkit。用于监控者的方面，则可以了解最新的绕过监控的技术，可以根据来设计更新的监控方案。 

3.直接访问FSD的内核级别文件访问 
    FSD(FileSystemDriver)层是文件API函数经过本地系统服务层(native API)最后到达的驱动层次。如果我们可以模仿操作系统，在我们自己的驱动程序里直接向FSD发送IRP，就可以绕过那些native API 和win32 API了，也就可以绕过设置在这些层次上面的API钩子等监控措施。 

3.1文件的Create和Open 
    文件的Create和Open可以通过发送IRP_MJ_CREATE给FSD，或者调用IoCreateFile函数来完成。Create和Open的区别实际上在于IoCreateFile/IRP_MJ_CREATE的一个参数Disposition的取值。使用IoCreateFile函数的样例代码： 

HANDLE openfile(WCHAR* name,ACCESS_MASK access,ULONG share)  
{ 
    //return 0 for error. 
    HANDLE hfile; 
    IO_STATUS_BLOCK iosb; 
    int stat; 
    OBJECT_ATTRIBUTES oba; 
    UNICODE_STRING nameus; 
    /// 
    if(KeGetCurrentIrql()>PASSIVE_LEVEL){return 0;} 
    RtlInitUnicodeString(&nameus,name); 
    InitializeObjectAttributes(&oba,&nameus,OBJ_KERNEL_HANDLE|OBJ_CASE_INSENSITIVE,0,0); 
    stat=IoCreateFile(&hfile,access,&oba,&iosb,0,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,share,FILE_OPEN,0,0,0,0,0,0); 
    if(!NT_SUCCESS(stat)){return 0;} 
    return hfile; 
} 

HANDLE createnewfile(WCHAR* name,ACCESS_MASK access,ULONG share)  
{ 
    //return 0 for error. 
    HANDLE hfile; 
    IO_STATUS_BLOCK iosb; 
    int stat; 
    OBJECT_ATTRIBUTES oba; 
    UNICODE_STRING nameus; 
    /// 
    if(KeGetCurrentIrql()>PASSIVE_LEVEL){return 0;} 
    RtlInitUnicodeString(&nameus,name); 
    InitializeObjectAttributes(&oba,&nameus,OBJ_KERNEL_HANDLE|OBJ_CASE_INSENSITIVE,0,0); 
    stat=IoCreateFile(&hfile,access,&oba,&iosb,0,//AllocationSize this set to 0 that when file opened it was zeroed. 
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,share,FILE_OVERWRITE_IF,0,0,0,0,0,0); 
    if(!NT_SUCCESS(stat)){return 0;} 
    return hfile; 
} 

    通过发送IRP_MJ_CREATE给FSD的方法与此类似，可以参考IFSDDK document的IRP_MJ_CREATE说明。不同于上面方法的是需要自己创建一个FILE_OBJECT，好于上面方法的是这种方法不需要一个HANDLE，HANDLE是线程依赖的,FileObject则是线程无关。

3.2文件的Read和Write 
    我们通过给FSD发送IRP_MJ_READ来读取文件，给FSD发送IRP_MJ_WRITE来改写文件。 
    如果我们是通过一个HANDLE来执行(如使用IoCreateFile打开的文件)，就要先用ObReferenceObjectByHandle函数来获得这个Handle对应的FileObject。我们只能给FileObject发送IRP。 

stat=ObReferenceObjectByHandle(handle,GENERIC_READ,*IoFileObjectType,KernelMode,(PVOID*)&fileob,0); 

    之后我们使用IoAllocateIrp分配一个IRP。根据FileObject->DeviceObject->Flags的值，我们判断目标文件系统使用什么样的IO方式。 

    if(fileob->DeviceObject->Flags & DO_BUFFERED_IO) 
    { 
        irp->AssociatedIrp.SystemBuffer=buffer;//buffered io 
    } 
    else if(fileob->DeviceObject->Flags & DO_DIRECT_IO) 
    { 
        mdl=IoAllocateMdl(buffer,count,0,0,0); 
        MmBuildMdlForNonPagedPool(mdl); 
        irp->MdlAddress=mdl;//direct io 
    } 
    else 
    { 
        irp->UserBuffer=buffer;//neither i/o, use kernel buffer 
    } 

    对每种不同的IO方式使用不同的地址传递方式。随后我们填充IRP内的各个参数域，就可以发送IRP了。以Read为例： 

    irpsp->FileObject=fileob; 
    irpsp->MajorFunction=IRP_MJ_READ; 
    irpsp->MinorFunction=IRP_MN_NORMAL;//0 
    irpsp->Parameters.Read.ByteOffset=offsetused; 
    irpsp->Parameters.Read.Key=0; 
    irpsp->Parameters.Read.Length=count; 

    接着要考虑如果IRP不能及时完成，会异步的返回的情况，我们安装一个CompletionRoutine，在CompletionRoutine里面设置一个事件为已激活，通知我们的主线程读取或者写入操作已经完成。 

IoSetCompletionRoutine(irp,IoCompletion,&event,1,1,1); 

NTSTATUS 
  IoCompletion( 
    IN PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, 
    IN PIRP  Irp, 
    IN PVOID  Context 
    ) 
{ 
    KeSetEvent((PRKEVENT)Context, IO_DISK_INCREMENT, 0); 
    return STATUS_MORE_PROCESSING_REQUIRED; 
} 

    现在可以发送IRP了。如果不采取特殊的措施的话，IRP发送目标是FileObject对应的DeviceObject。发送后，等待IRP的完成并且释放资源，返回。 

    stat=IoCallDriver(fileob->DeviceObject,irp); 
    if(stat==STATUS_PENDING){ 
        KeWaitForSingleObject(&event, Executive,KernelMode,0,0); 
        stat=irp->IoStatus.Status; 
    } 
    if(!NT_SUCCESS(stat)) 
    { 
        IoFreeIrp(irp); 
        if(mdl){IoFreeMdl(mdl);}//if DO_DIRECT_IO 
        return -1; 
    } 
    stat=irp->IoStatus.Information;//bytes read 
    IoFreeIrp(irp); 
    if(mdl){IoFreeMdl(mdl);}//if DO_DIRECT_IO 
    return stat;

3.3文件的Delete 
    Delete实际上是通过向FSD发送IRP_MJ_SET_INFORMATION的IRP，并把IrpSp->Parameters.SetFile.FileInformationClass设置为FileDispositionInformation，用一个FILE_DISPOSITION_INFORMATION结构填充buffer来执行的。 

    fdi.DeleteFile=TRUE; 

    irpsp->MajorFunction=IRP_MJ_SET_INFORMATION; 
    irpsp->Parameters.SetFile.Length = sizeof(FILE_DISPOSITION_INFORMATION); 
    irpsp->Parameters.SetFile.FileInformationClass = FileDispositionInformation;  
    irpsp->Parameters.SetFile.DeleteHandle = (HANDLE)handle;  

3.4文件的Rename 
    类似于Delete，Rename是向FSD发送IRP_MJ_SET_INFORMATION的IRP，把IrpSp->Parameters.SetFile.FileInformationClass设置为FileRenameInformation，填充buffer为FILE_RENAME_INFORMATION结构。 

    fri.ReplaceIfExists=TRUE; 
    fri.RootDirectory=0;//Set fri.FileName to full path name. 
    fri.FileNameLength=wcslen(filename)*2; 
    wcscpy(fri.FileName,filename);//If the RootDirectory member is NULL, and the file is being moved to a different directory, this member specifies the full pathname to be assigned to the file.  

    irpsp->MajorFunction=IRP_MJ_SET_INFORMATION; 
    irpsp->Parameters.SetFile.Length = sizeof(FILE_FILE_RENAME_INFORMATION); 
    irpsp->Parameters.SetFile.FileInformationClass = FileRenameInformation;  


    综上，于是我们可以在驱动里面通过发送IRP来直接访问文件系统了，绕过了native API 和win32 API层次。 


4.绕过文件系统过滤驱动和钩子 

    有了第三部分的内容，我们目前可以直接给FSD发送请求操作文件。但是这还不够，因为有很多的杀毒软件或者监视工具使用FSD Filter Driver或者FSD Hook的办法来监控文件操作。在今天这篇文章里我讲一些原理性的东西，提供绕过FSD Filter Driver / FSD Hook的思路。 

4.1对付文件系统过滤驱动 

    文件系统过滤驱动Attach在正常的文件系统之上，监视和过滤我们的文件访问。文件系统驱动栈就是由这一连串的Attach起来的过滤驱动组成。我们可以用IoGetRelatedDeviceObject这个函数来获得一个FileObject对应的最底层的那个功能驱动对象(FDO)。但是这样虽然绕过了那些过滤驱动，却同时也绕过了正常的FSD如Ntfs/Fastfat，因为正常的FSD也是作为一个过滤驱动存在的。磁盘文件对象的对应的最底层的FDO是Ftdisk.sys，它已经因为过于底层而不能处理我们投递的IRP请求。 
    其实正常的FSD信息存储在一个Vpb结构中，我们可以使用IoGetBaseFileSystemDeviceObject这个未公开的内核函数来得到它。它就是我们发送IRP的目标了。 

4.2对付替换DispatchRoutine的FSD Hook 

    这是一种常用的FSD Hook方式。我们需要得到原本的DispatchRoutine，向原本的DispatchRoutine发送我们的IRP。这里提供一个思路：我们可以读取原本FSD驱动的.INIT段或者.TEXT段，查找其DriverEntry函数，在它的DriverEntry函数中肯定设置了自己的DriverObject的各个DispatchRoutine。在这个函数中我们就能找到我们想要的DispatchRoutine的地址。只需要使用特征码搜索的方法就可以搜索到这个值。 

4.3对付Inline Hook DispatchRoutine函数本身的FSD Hook 

    这种Hook方法比较狠毒，但不是非常常见于安全产品中，一般应用在木马和rootkit上，比如我自己写的rootkit。它没有更改DriverObject里面的DispatchRoutine的函数指针，而是向函数开头写入汇编指令的JMP来跳转函数。对付它的基本思路就是读取存在磁盘上的FSD的文件，加载到内存一份干净的备份，察看我们要调用的DispatchRoutine开头的几个字节和这个干净备份是否一致。如果不一致，尤其是存在JMP,RET,INT3一类的汇编指令的时候，很可能就是存在了Inline Hook。（但要充分考虑重定位的情况。）如果存在Inline Hook，我们就把干净的函数开头拷贝过来覆盖掉被感染的函数头。然后在发送IRP，就不会被Inline Hook监视或篡改了。

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