Kernel Objects

請以純粹黑白列印 Kernel Objects Windows作業系統與應用程式使用 Kernel Object來管理許多資源，譬如行程、執行緒、檔案井民全製作

What is a Kernel Object? • The data structure maintains information about the object • Process Object: 紀錄了PID, priority, exit code • File Object:紀錄了byte offset, sharing mode, open mode 等資訊 • A memory block allocated by kernel and accessible onlyby the kernel Ex: Open for writing or Open for reading 即 application 無法直接修改 kernel object 的資料結構

修改 ex HANDLE hFile; hFile =CreateFile("myfile.txt", GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL); How to access these kernel objects? CreateFileMapping(…) CreateThread(…) CrateFile(…) 某些建立 kernel object 的函式會傳回 Handle - We use the handle to manipulate the kernel object - The kernel object handle isprocess relative 亦即相同的 kernel object 在不同的 Process 值會不一樣

Usage Counting Usage count 1 0 5 deleted Process A CreateFileMapping(…) 3 Process B CreateFileMapping(…) kernel Process C CreateFileMapping(…)

Security • Kernel Object can be protected with a security descriptor, which decrypts • Who create the object • Who can gain access to or use the object • Who is denied access • Usually used when writing server applications

Security • Almost all function that create kernel object need SECURITY_ATTRIBUTES structure ex HANDLE CreateFileMapping( HANDLE hFile, PSECURITY_ATTRIBUTES psa, DWORD flProtect, DWORD dwMaximumSizeHeight, DWORD dwMaximumSizeLow, PCTSTR pszName); NULL (default security) Full access only for 1. administrator group 2. Creator

Access to an existing kernel object • 我必須要得到 access right才能得到正確的 FileMapping handle HANDLE hFileMapping=OpenFileMapping(FILE_MAP_READ, FALSE “MyFileMapping”); 指定為讀取模式 READ op 要開啟的 File-Mapping 名稱 Security check Return:NULL fail ok Valid handle

Example: Read the registry HKEY hKey; LONG lRet; lRet = RegOpenKeyEx( HKEY_LOCAL_MACHINE, "SOFTWARE\\Microsoft\\Office", 0, KEY_QUERY_VALUE, &hKey ); if( lRet == ERROR_SUCCESS ) MessageBox(NULL,"You have Office software","ok",MB_OK); else MessageBox(NULL,"fail","fail",MB_OK); RegCloseKey( hKey ); 系統先檢查該key 的security descriptor, 看看user是否有權限存取完整程式範例: OperRegstryDemo

Kernel object 與其他Object • 你的程式可能會用到其他的object • 選單、視窗、滑鼠游標、筆刷、字型等 • 幾乎所有建立核心物件的函式, 都會有 Security attribute 參數, 沒有一個GDI 或 User Object 需要 security attribute 我要如何分辨 Kernel Object 或其他 object ? 例如: CreateIcon HICON CreateIcon( HINSTANCE hinst, int nWidth, int nHeight, BYTE cPlanes, BYTE cBitsPixel, CONST BYTE *pbANDbits, CONST BYTE *pbXORbits);

系統是如何表示 Kernel Object? • 對每一個 Process 都會配置一個 Kernel Object Handle Table 他的長相應該是像這樣: 一個用來管理 Kernel Object 的陣列

一些建立 kernel object 的函式 • HANDLE CreateThread (…) • HANDLE CreateFile(…) • HANDLE CreateFileMapping(…) • HANDLE CreateSemaphore(…) 傳回的 HANDLE 值, 就是 Handle Table 中的相關位置可以被該 process 中的所有 thread 使用建立 Kernel Object 時,系統的動作系統的行為 1 當 Process 初始化時空的 Object Handle Table 2 當 Process 中的某個 Thread 建立了 kernel object 1. Kernel 配置該 kernel object 所需記憶體 2. 在 Process 中的 Handle Table 找尋空的位置 3. 將必要的資訊放到 Handle Table 中

使用 kernel object 的系統動作 不合法: GetLastError() == ERROR_INVALID_ HANDLE 一個 function 需要 HANDLE 當作引數時 Step 1 檢查該 Handle是否合法 Step 2 例如利用傳入的 HANDLE 由 HANDLE TABLE 找出 kernel Object 的所在位置 BOOLWriteFile(HANDLE hFile, LPCVOIDlpBuffer, DWORDnNumberOfBytesToWrite, LPDWORDlpNumberOfBytesWritten, LPOVERLAPPEDlpOverlapped ); Step 3 依照規定處理該 Object 的資料結構系統的行為

這個判斷式有問題: 因為 CreateMutex 失敗時, 傳回 NULL HANDLE hMutex = CreateMutex(...); if (hMutex = = INVALID_HANDLE_VALUE) { } HANDLE hFile = CreateFile(...); if (hFile = = NULL) { // We will never execute this code because CreateFile // returns INVALID_HANDLE_VALUE(-1) if it fails. } 這個判斷式有問題: 因為 CreateFile 失敗時, 傳回 -1 當你建立 kernel object 失敗時 • 大部分會傳回 NULL 可是有些 FUNCTION 卻會傳回 -1 (INVALID_HANDLE_VALUE ) 注意情況一: 注意情況二:

當你不再使用 kernel object 時 系統的行為 • 請使用 CloseHandle Step 1 檢查該 Handle是否合法 BOOL CloseHandle(HANDLE hobj); 不合法時, CloseHandle 會傳回 FALSE Step 2 查閱 Handle Table 以取得 Kernel Object 的位址如果我忘記 CloseHandle 會不會造成 Memory Leak的問題? Step 3 遞減該 kernel object 的 Usage count 若 = 0  刪除該 kernel object Step 4 將 Handle Table 中相對應的 entry 清除掉答案是: 當 process terminated 時會釋放該 process 所有的 resource

增加說明 MemoryMapFile Mailslots & named piples Mutexes, semaphores, and events Sharing Kernel Objects Across Process • 由前面可知, 我們的 kernel object 可以在 thread 之間共享 • 但是, 其他的 process 就不能存取我們的 kernel object 只要我們知道該物件的 Handle 我們會希望 1. 不同的 processes 共享資料 2. 不同機器的 process 之間, 共享資料 3. 不同 processes 中的 thread 同步處理協調執行工作

Parent Process Object Handle Inheritance-- 描述parent-child kernel object 之間的handle 使用關係在建立時,就指定這個 Object 是可以被繼承的 I am a inheritable mutex object Kernel Objects SECURITY_ATTRIBUTES sa; sa.nLength=sizeof(sa); sa.lpSecurityDescriptor=NULL; sa.bInheritHandle=TRUE; HANDLE hMutex=CreateMutex(&sa, FALSE, NULL); 設定 security 屬性 Spawn Child Process Can I access? SECURITY_ATTRIBUTESthat the object handle should be inheritable!

增加說明 The process’s handle table entry 預設 security 屬性建立第一個 Mutex 作業系統核心的列表 HANDLE hMutex1=CreateMutex(NULL, FALSE, NULL); 自訂 security 屬性: 指定可以被繼承 SECURITY_ATTRIBUTES sa; sa.nLength=sizeof(sa); sa.lpSecurityDescriptor=NULL; sa.bInheritHandle=TRUE; HANDLE hMutex2=CreateMutex(&sa, FALSE, NULL); Process handle table 建立第二個 Mutex

新 process 的 security 屬性: 限定系統其他使用者是否可以存取該 process Make your object to inheritance 新 thread 的設 security 屬性 Let your child process to inherit all inheritable handles Two Steps BOOL CreateProcess( LPCTSTR lpApplicationName, LPTSTR lpCommandLine, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, BOOLbInheritHandles, DWORD dwCreationFlags, LPVOID lpEnvironment, LPCTSTR lpCurrentDirectory, LPSTARTUPINFO lpStartupInfo, LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation); bInheritHandles FALSE: 不希望這個 child process 能夠存取 parent 的 kernel object TRUE: 這個 child process 可以自由的存取 parent 中的 inheritable kernel objects

Parent Process How about the child process’s handle table? Parent’s handle table inheritable Spawn Child Process 複製到child process (注意: Index也一樣） Child’s handle table

美化圖示 實際的看看例子吧範例的進行流程 Parent主程式建立一個 Event Kernel Object 傳遞 Object 的 handle 建立 Child Process並將 Event Object 傳給 Child 等待 Event Signal 才繼續執行 Child 程式 Step 1: 被主程式呼叫並且被建立 Step 2: 將Command line字串轉換成 HANDLE Step 4: 將 Kernel Object Handle Table 中對應的欄位清掉 Step 3: 利用該 HANDLE 將 Kernel Object 設定為 signal CloseHandle(hsecondHandle);

因為 HANDLE 被定義為 void*, 所以我們使用 %p #include "stdafx.h" #include <windows.h> #include <iostream> using namespace std; // Step 1: 被主程式呼叫並且被建立 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // Step 2: 將Command line字串轉換成 HANDLE HANDLE hsecondHandle=NULL; sscanf(argv[0],"%p",&hsecondHandle); // Step 3: 利用該 HANDLE 將 Kernel Object 設定為 signal BOOL bSuccess=SetEvent(hsecondHandle); if(bSuccess) cout <<"成功的得到 parent 的 handle"<<endl; else cout <<"失敗"<< endl; // Step 4: 將 Kernel Object Handle Table 中對應的欄位清掉 CloseHandle(hsecondHandle); return 0; } 先看 Child Child 程式關鍵片段執行完這行,主程式才能繼續執行

Parent主程式 (片段) void main(){ // Step 1: 建立一個可以被繼承的 Kernel Object (目前用 Event 表示) SECURITY_ATTRIBUTES sa; sa.nLength = sizeof(sa); sa.lpSecurityDescriptor = NULL; sa.bInheritHandle = TRUE; // << -- 設定可繼承 HANDLE hmyEvent=CreateEvent(&sa,TRUE,FALSE,NULL); // Step 2: 將該 Kernel Object 的 HANDLE 轉換成字串 char buffer[200]; sprintf( buffer,"%p",hmyEvent); // Step 3: 建立 Child process 並將 HANDLE 字串以 CommandLine 的方式 // 傳給 Child CreateProcess(…); // Step 4: 等待 Child process 利用該 HANDLE 將 Kernel Object signal WaitForSingleObject(hmyEvent, INFINITE ); CloseHandle( pi.hProcess ); CloseHandle( pi.hThread ); CloseHandle(hmyEvent); return 0; } 必須等待 Childe 執行 SetEvent

Named Object • Sharing kernel object • Not all kernel object can be named

增加說明 How to sharing a object Process A HANDLE hMutexProcessA=CreateMutex(NULL,FALSE, ”JeffMutex” ); 此時, 另一個 process B 的 thread 又建立相同名稱的 object HANDLE hMutexProcessA=CreateMutex(NULL,FALSE, ”JeffMutex” ); Process B 1. 配置新的Handle Table 2. Point to the existing kernel object 3. Increase the usage count 通過檢查該 kernel Object Name是否已經存在檢查新建 kernel Object的 Type 是否一樣檢查是否可以存取 Yes fail NULL

萬一,我不想 share 了怎麼辦? • 情況是: parent 只想給其中一個 child 繼承,該怎麼辦 ? • 使用 SetHandleInformation(…) 目標 kernel object 設定為可以繼承針對繼承屬性 SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_INHERIT, HANDLE_FLAG_INHERIT 設定為不可繼承針對繼承屬性 SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_INHERIT, 0

增加說明 如何禁止一個Kernel Object 被 Close ? • 情況是: 防止 “子process”在尚未建立”孫process”前,就先 close 掉某些Handle 剛好這些 Handle 是孫 process 要繼承使用的導致這個孫 process 無法藉由這些 Handle 與母行程溝通針對不可關閉屬性 SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE , HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE ) CloseHandle(hobj); 設定不可關閉執意關掉,會發生 exception 當然, 如果子process 執行那當然就可以 CloseHandle SetHandleInformation(hobj, HANDLE_FLAG_PROTECT_FROM_CLOSE , 0 ) 關閉功能取消

我要如何知道一個 object 是否有繼承屬性? • 使用 GetHandleInformation 取得 Handle 的資料判斷是否具有繼承的範例 DWORD dwFlags; GetHandleInformation (hObj, &dwFlags); BOOL fHandleIsInheritable = (0 != (dwFlags & HANDLE_FLAG_INHERIT)); 若 dwFlags 相對應的 bit 欄位 =1 1 否則  0 運算結果 ≠ 0 時,  TRUE

Prevent multiple instances • 我們可以用 named kernel object #include "stdafx.h" #include <windows.h> int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { HANDLE h = CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,"Baby"); if (GetLastError( )==ERROR_ALREADY_EXISTS) { MessageBox(NULL,"系統中已經有重複的程式正在執行","Error",MB_OK); return(0); } getchar(); // Before exiting, close the object. CloseHandle(h); return(0); } 建立一個名為 Baby的 kernel object 當你嘗試在系統中重複建立兩個相同名稱的 kernel object, 會造成失敗

你的系統中剛好有人使用 Baby 這個名字 ? Universally Unique Identifier (UUID) • 使用 VS 的工具 UUIDGEN.EXE 產生GUID(Globally Unique Identifier) 來當作名稱填入 GUID HANDLE h = CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE, "d00fead7-d497-4765-a5ef-3d10f9d23023");

End UUIDGEN.EXE 是 VC 提供的 tool 如果你想使用程式自動產生, 請使用 CoCreateGuid請參考課程網頁範例操作範例: http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html /_sample_mfc_GUIDGEN.asp

Kernel Objects

Kernel Objects

Presentation Transcript

Kernel Porting

Kernel Methods

Mapping Kernel Objects to Enable Systematic Integrity Checking

Kernel Modules

Ch 4. Drivers and Kernel-Mode Objects

Kernel Methods

Kernel

Linux kernel

Micro-kernel

Kernel Modules

Linux Kernel

Kernel III

Kernel-class

Kernel Programming Kernel

Kernel

Kernel Hypervisors

NT Kernel

Kernel Regression

Il kernel

Kernel Synchronization

UNIX Kernel

Looking at kernel objects