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Windows内核扩展机制研究

Alpha_h4ck 2019-03-26 13:00:43 309502

近期，我自己写了一个内核模式驱动器，跟我平时写的很多代码一样，这个驱动器也存在Bug。确切来说，这个驱动器可以防止其他驱动器正常加载，并导致系统崩溃。

实际上，很多启动器会默认它们的初始化进程（DriverEntry）能够成功执行，因此在出现问题时它们是无法正确处理的。j00ru曾在几年前发布的博文中提过几种案例，而且其中有很多都跟目前的Windows版本有关，而我只对其中的一个驱动器比较感兴趣。这里最吸引我的还是“Windows内核主机扩展机制”，本文的主要内容也是关于它的。

这个驱动器是Bam.sys（Background Activity Moderator）- Windows 10 v1709（RS3）中新引入的一种驱动器。当它的DriverEntry中途出现问题时，调用栈会导致系统发生崩溃：

从崩溃信息中我们可以看到，Bam.sys注册了一个进程创建回调，并且在卸载之前忘记注销它了。接下来，当一个进程被创建/终止时，系统会尝试调用这个回调，并引用旧指针，然后导致系统崩溃。

有趣的并不是系统发生崩溃，而是Bam.sys到底是如何注册这个回调的。一般来说，进程创建回调是通过nt!PsSetCreateProcessNotifyRoutine(Ex)注册的，它会向nt!PspCreateProcessNotifyRoutine数组中添加这个回调。接下来，当进程被创建/终止时，nt!PspCallProcessNotifyRoutines会迭代循环这个数组，并调用所有已注册的回调。然而，如果我们在WinDbg中运行“!wdbgark.wa_systemcb /typeprocess“的话，我们将会看到这个数组中并不存在Bam.sys所使用的回调：

原来，Bam.sys使用了另一种机制来注册它的回调：

查看nt!PspCallProcessNotifyRoutines后我们发现，其中有一个指向nt!PspBamExtensionHost的显示引用。它会使用这种“扩展主机”来检索所谓的“扩展表”，并调用扩展表中的第一个函数，即bam!BampCreateProcessCallback。

在IDA中打开Bam.sys，我们可以直接看到bam!BampCreateProcessCallback，并搜索它的xrefs。幸好它只有一个，就在bam!BampRegisterKernelExtension中：

我怀疑Bam!BampCreateProcessCallback并没有通过常规的回调注册机制来进行注册。实际上，它被存在了一个名叫Bam!BampKernelCalloutTable的函数表中，而这个表会和其他参数一起传递给nt!ExRegisterExtension函数（文档中未记载）。

唯一一个我找到的跟这个函数相关的就是ntosifs.h头文件，其中包含了nt!ExRegisterExtension函数的原型以及_EX_EXTENSION_REGISTRATION_1结构体。

nt!ExRegisterExtension函数原型和_EX_EXTENSION_REGISTRATION_1：

NTKERNELAPINTSTATUS ExRegisterExtension (
    _Outptr_ PEX_EXTENSION *Extension,
    _In_ ULONG RegistrationVersion,
    _In_ PVOID RegistrationInfo
);
typedefstruct _EX_EXTENSION_REGISTRATION_1 {
    USHORT ExtensionId;
    USHORT ExtensionVersion;
    USHORT FunctionCount;
    VOID *FunctionTable;
    PVOID *HostInterface;
    PVOID DriverObject;
}EX_EXTENSION_REGISTRATION_1, *PEX_EXTENSION_REGISTRATION_1;

注意：nt!ExRegisterExtension的伪代码可在附录B中找到。

我们可以看到，nt!ExRegisterExtension会搜索名称匹配RegistrationInfo的主机。那么问题来了，这些主机是从哪儿来的呢？

在初始化的过程中，NTOS会多次调用nt!ExRegisterHost。每次调用时，它都会传递一个结构体来识别列表中预定义的驱动器（完整列表可在附录A中找到）。比如说，Bam.sys会使用下列调用来初始化一台主机：

nt!ExRegisterHost会分配一个type_HOST_LIST_ENTRY结构体，并使用调用方提供的参数来进行初始化，然后将其添加到nt!ExpHostList结尾。_HOST_LIST_ENTRY结构体文档未记载，它的大致结构如下：

struct_HOST_LIST_ENTRY
{
    _LIST_ENTRY List;
    DWORD RefCount;
    USHORT ExtensionId;
    USHORT ExtensionVersion;
    USHORT FunctionCount; // number ofcallbacks that the extension 
                          // contains
    POOL_TYPE PoolType;   // where this host is allocated
    PVOID HostInterface; // table of unexportednt functions, 
                         // to be used by thedriver to which 
                         // this extensionbelongs
    PVOID FunctionAddress; // optional, rarelyused. 
                           // This callback iscalled before 
                           // and after anextension for this 
                           // host isregistered / unregistered
    PVOID ArgForFunction; // will be sent tothe function saved here
    _EX_RUNDOWN_REF RundownRef;
    _EX_PUSH_LOCK Lock;
    PVOID FunctionTable; // a table of thecallbacks that the 
                         // driver “registers”
    DWORD Flags;         // Only uses one bit. 
                         // Not sure about itsmeaning.
}HOST_LIST_ENTRY, *PHOST_LIST_ENTRY;

当其中一个预定义的驱动器加载时，它会使用nt!ExRegisterExtension注册一个扩展，并提供一个RegistrationInfo结构体，其中包括一个函数表。这个函数表会被置入匹配主机的FunctionTable成员中。这些函数随后会被NTOS在特定的场景下调用，这也就是所谓的回调了。

之前我们看到了nt!ExRegisterExtension的部分功能会被设置为RegistrationInfo->HostInterface（包含一个全局变量），并指向主机结构体中的某些数据。

每一个注册了扩展的驱动器都有一个NTOS设置的初始化主机，这种主机包含一个HostInterface，它指向HTOS函数预定一个一个表，不同的驱动器会收到不同的HostInterface，但有些则不会收到。

比如说，Bam.sys收到的就是下面这个HostInterface：

实际上，这里所谓的“内核扩展机制”即使一种双向通信端口：驱动器提供一个“回调”列表，以供在不同场景下调用，然后在各自内部使用场景中接收不同的函数集。

下面给出的是Bam.sys的回调样本：

BampCreateProcessCallback
BampSetThrottleStateCallback
BampGetThrottleStateCallback
BampSetUserSettings
BampGetUserSettingsHandle

负责Bam.sys初始化的主机预先“知道”它需要接收包含上面这5个函数的函数表。这些函数必须按照上述顺序提供，因此这里是通过索引来调用的。我们可以看到，nt!PspBamExtensionHost->FunctionTable[4]调用情况：

总而言之，Windows中存在一种机制，可以用来“扩展”NTOS，具体过程是先注册某些回调函数，然后接收驱动可以使用的未导出函数。我并不清楚这个知识点是否能发挥实际作用，但觉得这方面内容比较有趣，值得与大家分享。希望可以给大家提供帮助，感谢阅读！

附录A-NTOS初始化的扩展主机

附录B-函数伪代码

ExRegisterExtension.c：

NTSTATUSExRegisterExtension(_Outptr_ PEX_EXTENSION *Extension, _In_ ULONGRegistrationVersion, _In_ PREGISTRATION_INFO RegistrationInfo)
{
       // Validate that version is ok and thatFunctionTable is not sent without FunctionCount or vise-versa.
       if ( (RegistrationVersion &0xFFFF0000 != 0x10000) || (RegistrationInfo->FunctionTable == nullptr&& RegistrationInfo->FunctionCount != 0) ) 
       { 
              return STATUS_INVALID_PARAMETER; 
       }
       // Skipping over some lock-related stuff,
       // Find the host with the matchingversion and id.
       PHOST_LIST_ENTRY pHostListEntry;
       pHostListEntry =ExpFindHost(RegistrationInfo->ExtensionId,RegistrationInfo->ExtensionVersion);
       // More lock-related stuff.      
       if (!pHostListEntry)
       {
              return STATUS_NOT_FOUND;
       }
       // Verify that the FunctionCount in thehost doesn't exceed the FunctionCount supplied by the caller.
       if (RegistrationInfo->FunctionCount< pHostListEntry->FunctionCount)
       {
        ExpDereferenceHost(pHostListEntry);
              return STATUS_INVALID_PARAMETER;
       }
       // Check that the number of functions inFunctionTable matches the amount in FunctionCount.
       PVOID FunctionTable =RegistrationInfo->FunctionTable;
       for (int i = 0; i <RegistrationInfo->FunctionCount; i++)
       {      
              if (RegistrationInfo->FunctionTable[i] == nullptr ) 
              { 
               ExpDereferenceHost(pHostListEntry);
                     returnSTATUS_ACCESS_DENIED; 
              }
       }
       // skipping over some more lock-relatedstuff
       // Check if there is already an extensionregistered for this host.
       if (pHostListEntry->FunctionTable !=nullptr || FlagOn(pHostListEntry->Flags, 1) )
       {
              // There is something related tolocks here
        ExpDereferenceHost(pHostListEntry);
              returnSTATUS_OBJECT_NAME_COLLISION;
       }
       // If there is a callback function forthis host, call it before registering the extension, with 0 as the firstparameter.
       if (pHostListEntry->FunctionAddress) 
       { 
        pHostListEntry->FunctionAddress(0,pHostListEntry->ArgForFunction); 
       }
       // Set the FunctionTable in the host tothe table supplied by the caller, or to MmBadPointer if a table wasn'tsupplied.
       if (RegistrationInfo->FunctionTable ==nullptr)
       {
              pHostListEntry->FunctionTable= nt!MmBadPointer;
       }
       else
       {
              pHostListEntry->FunctionTable= RegistrationInfo->FunctionTable;
       }
       pHostListEntry->RundownRef = 0;
       // If there is a callback function forthis host, call it after registering the extension, with 1 as the firstparameter.
       if (pHostListEntry->FunctionAddress)
       {
        pHostListEntry->FunctionAddress(1,pHostListEntry->ArgForFunction);
       }
       // Here there is some more lock-relatedstuff
       // Set the HostTable of the callingdriver to the table of functions listed in the host.
       if (RegistrationInfo->HostTable !=nullptr)
       {
        *(PVOID)RegistrationInfo->HostTable= pHostListEntry->hostInterface;
       }
       // Return the initialized host to thecaller in the output Extension parameter.
       *Extension = pHostListEntry;
       return STATUS_SUCCESS;
}

ExRegisterHost.c：

NTSTATUSExRegisterHost(_Out_ PHOST_LIST_ENTRY ExtensionHost, _In_ ULONG Unused, _In_PHOST_INFORMATION HostInformation)
{
       NTSTATUS Status = STATUS_SUCCESS;
       // Allocate memory for a newHOST_LIST_ENTRY
       PHOST_LIST_ENTRY p =ExAllocatePoolWithTag(HostInformation->PoolType, 0x60, 'HExE');
       if (p == nullptr)
       {
              returnSTATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
       }
       //
       // Initialize a new HOST_LIST_ENTRY 
       //
       p->Flags &= 0xFE;
       p->RefCount = 1;
       p->FunctionTable = 0;
       p->ExtensionId =HostInformation->ExtensionId;
       p->ExtensionVersion =HostInformation->ExtensionVersion;
       p->hostInterface =HostInformation->hostInterface;
       p->FunctionAddress =HostInformation->FunctionAddress;
       p->ArgForFunction =HostInformation->ArgForFunction;                     
       p->Lock = 0;                    
       p->RundownRef = 0;              
       // Search for an existing listEntry withthe same version and id.
       PHOST_LIST_ENTRY listEntry = ExpFindHost(HostInformation->ExtensionId,HostInformation->ExtensionVersion);
       if (listEntry)
       {
              Status =STATUS_OBJECT_NAME_COLLISION;
              ExpDereferenceHost(p);
              ExpDereferenceHost(listEntry);
       }
       else
       {
              // Insert the new HOST_LIST_ENTRYto the end of ExpHostList.
              if ( *lastHostListEntry !=&firstHostListEntry )
              {
                    __fastfail();
              }
              firstHostListEntry->Prev =&p;
              p->Next = firstHostListEntry;
              lastHostListEntry = p;
              ExtensionHost = p;
       }
       return Status;
}

ExpFindHost.c：

PHOST_LIST_ENTRYExpFindHost(USHORT ExtensionId, USHORT ExtensionVersion)
{
       PHOST_LIST_ENTRY entry;
       for (entry == ExpHostList; ; entry =entry->Next)
       {
              if (entry == &ExpHostList) 
              { 
                     return 0; 
              }
              if ( *(entry->ExtensionId) ==ExtensionId && *(entry->ExtensionVersion) == ExtensionVersion ) 
              { 
                     break; 
              }
       }
 InterlockedIncrement(entry->RefCount);
       return entry;
}

ExpDereferenceHost.c：

voidExpDereferenceHost(PHOST_LIST_ENTRY Host)
{
      if (InterlockedExchangeAdd(Host.RefCount, 0xFFFFFFFF) == 1 )
       {
                  ExFreePoolWithTag(Host, 0);
       }
}

附录C-结构体定义

struct_HOST_INFORMATION
{
    USHORT ExtensionId;
    USHORT ExtensionVersion;
    DWORD FunctionCount;
    POOL_TYPE PoolType;
    PVOID HostInterface;
    PVOID FunctionAddress;
    PVOID ArgForFunction;
    PVOID unk;
}HOST_INFORMATION, *PHOST_INFORMATION;
struct_HOST_LIST_ENTRY
{
    _LIST_ENTRY List;
    DWORD RefCount;
    USHORT ExtensionId;
    USHORT ExtensionVersion;
    USHORT FunctionCount; // number ofcallbacks that the 
                          // extension contains
    POOL_TYPE PoolType;   // where this host is allocated
    PVOID HostInterface;  // table of unexported nt functions, 
                          // to be used by thedriver to which 
                          // this extensionbelongs
    PVOID FunctionAddress; // optional, rarelyused. 
                           // This callback iscalled before and    
                           // after anextension for this host 
                           // is registered /unregistered
    PVOID ArgForFunction; // will be sent tothe function saved here
    _EX_RUNDOWN_REF RundownRef;
    _EX_PUSH_LOCK Lock;
    PVOID FunctionTable;    // a table of the callbacks that 
                            // the driver“registers”
DWORDFlags;                // Only uses oneflag. 
                            // Not sure about its meaning.
}HOST_LIST_ENTRY, *PHOST_LIST_ENTRY;;
struct_EX_EXTENSION_REGISTRATION_1
{
    USHORT ExtensionId;
    USHORT ExtensionVersion;
    USHORT FunctionCount;
    PVOID FunctionTable;
    PVOID *HostTable;
    PVOID DriverObject;
}EX_EXTENSION_REGISTRATION_1,*PEX_EXTENSION_REGISTRATION_1;

* 参考来源：medium，FB小编Alpha_h4ck编译，转载请注明来自FreeBuf.COM

# windows # 内核机制

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