详解应用程序与驱动程序通信DeviceIoControl

一、定义IO控制码 

其实可以看作是一种通信协议

看看CTL_CODE原型：

#define CTL_CODE( DeviceType, Function, Method, Access ) ( \
　　((DeviceType) << 16) | ((Access) << 14) | ((Function) << 2) | (Method) \
　　)

可以看到，这个宏四个参数，自然是一个32位分成了4部分，高16位存储设备类型，14~15位访问权限，2～13位操作功能，最后0，1两位就是确定缓冲区是如何与I/O和文件系统数据缓冲区进行数据传递方式，最常见的就是METHOD_BUFFERED。

自定义CTL_CODE：

#define IOCTL_Device_Function CTL_CODE(DeviceType, Function, Method, Access)

IOCTL_Device_Function：生成的IRP的MinorFunction

DeviceType：设备对象的类型。设备类型可参考：http://blog.csdn.net/liyun123gx/article/details/38058965

Function ：自定义的IO控制码。自己定义时取0x800到0xFFF，因为0x0到0x7FF是微软保留的。

Method ：数据的操作模式。

METHOD_BUFFERED：缓冲区模式

METHOD_IN_DIRECT：直接写模式

METHOD_OUT_DIRECT：直接读模式

METHOD_NEITHER ：Neither模式

Access：访问权限，可取值有：

FILE_ANY_ACCESS：表明用户拥有所有的权限

FILE_READ_DATA：表明权限为只读

FILE_WRITE_DATA：表明权限为可写

也可以 FILE_WRITE_DATA | FILE_READ_DATA：表明权限为可读可写，但还没达到FILE_ANY_ACCESS的权限。

继续介绍这个缓冲区数据传递方式Method：

Method表示Ring3/Ring0的通信中的内存访问方式，有四种方式：

#defineMETHOD_BUFFERED0

#defineMETHOD_IN_DIRECT1

#defineMETHOD_OUT_DIRECT2

#defineMETHOD_NEITHER3

（1）如果使用METHOD_BUFFERED，表示系统将用户的输入输出都经过pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer来缓冲，因此这种方式的通信比较安全。

METHOD_BUFFERED方式相当于对Ring3的输入输出都进行了缓冲。

METHOD_BUFFERED方式：

（2）如果使用METHOD_IN_DIRECT或METHOD_OUT_DIRECT方式，表示系统会将输入缓冲在pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer中，并将输出缓冲区锁定，然后在内核模式下重新映射一段地址，这样也是比较安全的。

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT可称为"直接方式"，是指系统依然对Ring3的输入缓冲区进行缓冲，但是对Ring3的输出缓冲区并没有缓冲，而是在内核中进行了锁定。这样Ring3输出缓冲区在驱动程序完成I/O请求之前，都是无法访问的，从一定程度上保障了安全性。

这两种方式，对于Ring3的输入缓冲区和METHOD_BUFFERED方式是一致的。对于Ring3的输出缓冲区，首先由系统锁定，并使用pIrp->MdlAddress来描述这段内存，驱动程序需要使用MmGetSystemAddressForMdlSafe函数将这段内存映射到内核内存地址（OutputBuffer），然后可以直接写入OutputBuffer地址，最终在驱动派遣例程返回后，由系统解除这段内存的锁定。

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式的内存访问

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式的区别，仅在于打开设备的权限上，当以只读权限打开设备时，METHOD_IN_DIRECT方式的IoControl将会成功，而METHOD_OUT_DIRECT方式将会失败。如果以读写权限打开设备，两种方式都会成功。

METHOD_IN_DIRECT和METHOD_OUT_DIRECT方式：

（3）如果使用METHOD_NEITHER方式，"其他方式"，虽然通信的效率提高了，但是不够安全。驱动的派遣函数中输入缓冲区可以通过I/O堆栈（IO_STACK_LOCATION）的stack->Parameters.DeviceIo Control.Type3InputBuffer得到。输出缓冲区可以通过pIrp->UserBuffer得到。由于驱动中的派遣函数不能保证传递进来的用户输入和输出地址，因此最好不要直接去读写这些地址的缓冲区。应该在读写前使用ProbeForRead和ProbeForWrite函数探测地址是否可读和可写。

METHOD_ NEITHER方式是不进行缓冲的，在驱动中可以直接使用Ring3的输入输出内存地址，

驱动程序可以通过pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.Type3InputBuffer得到Ring3的输入缓冲区地址（其中pIrpStack是IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp)的返回）；通过pIrp-> UserBuffer得到Ring3的输出缓冲区地址。

由于METHOD_NEITHER方式并不安全，因此最好对Type3InputBuffer读取之前使用ProbeForRead函数进行探测，对UserBuffer写入之前使用ProbeForWrite函数进行探测，当没有发生异常时，再进行读取和写入操作。

METHOD_NEITHER方式：

二、定义驱动设备名，符号链接名

定义好了IO控制码CTL_CODE，第二步驱动程序还要准备驱动设备名和符号链接名。

关于在Ring0层中要设置驱动设备名的同时还要设置符号链接名的原因，是因为只有符号链接名才可以被用户模式下的应用程序识别。

windows下的设备是以"\Device\[设备名]”形式命名的。

例如磁盘分区的c盘，d盘的设备名称就是"\Device\HarddiskVolume1”,"\Device\HarddiskVolume2”, 当然也可以不指定设备名称。

如果IoCreateDevice中没有指定设备名称，那么I/O管理器会自动分配一个数字作为设备的名称。

例如"\Device\00000001"。\Device\[设备名]，不容易记忆，通常符号链接可以理解为设备的别名，更重要的是设备名，只能被内核模式下的其他驱动所识别，而别名可以被用户模式下的应用程序识别，例如c盘，就是名为"c:"的符号链接，其真正的设备对象是"\Device\HarddiskVolume1”，所以在写驱动时候，一般我们创建符号链接，即使驱动中没有用到，这也算是一个好的习惯吧。

驱动中符号链接名是这样写的

L"\\??\\HelloDDK" --->\??\HelloDDK

或者

L"\\DosDevices\\HelloDDK"--->\DosDevices\HelloDDK

在应用程序中，符号链接名：

L"\\\\.\\HelloDDK"-->\\.\HelloDDK

DosDevices的符号链接名就是??, 所以"\\DosDevices\\XXXX"其实就是\\??\\XXXX

#define DEVICE_OBJECT_NAME  L"\\Device\\BufferedIODeviceObjectName"
//设备与设备之间通信
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\DosDevices\\BufferedIODevcieLinkName"
//设备与Ring3之间通信

三、将符号链接名与设备对象名称关联 ，等待IO控制码

驱动程序要做的最后一步，先用IoCreateDevice函数创建设备对象，再用IoCreateSymbolicLink将符号链接名与设备对象名称关联，大功告成，等待IO控制码。

 //创建设备对象名称
RtlInitUnicodeString(&DeviceObjectName,DEVICE_OBJECT_NAME);
//创建设备对象
Status = IoCreateDevice(DriverObject,NULL,
    &DeviceObjectName,
    FILE_DEVICE_UNKNOWN,
    0, FALSE,
    &DeviceObject);
if (!NT_SUCCESS(Status))
{
    return Status;
}

//创建设备连接名称
RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);
//将设备连接名称与设备名称关联
Status = IoCreateSymbolicLink(&DeviceLinkName,&DeviceObjectName);

if (!NT_SUCCESS(Status))
{
    IoDeleteDevice(DeviceObject);
    return Status;
}       

四、应用程序获取设备句柄，发送IO控制码

驱动程序铺垫打理好之后，应用程序就可以由符号链接名通过CreateFile函数获取到设备句柄DeviceHandle，再用本场的主角，DeviceIoControl通过这个DeviceHandle发送控制码了。

先看看这两个函数：

BOOL WINAPI DeviceIoControl(
  _In_         HANDLE hDevice,       //CreateFile函数打开的设备句柄
  _In_         DWORD dwIoControlCode,//自定义的控制码
  _In_opt_     LPVOID lpInBuffer,    //输入缓冲区
  _In_         DWORD nInBufferSize,  //输入缓冲区的大小
  _Out_opt_    LPVOID lpOutBuffer,   //输出缓冲区
  _In_         DWORD nOutBufferSize, //输出缓冲区的大小
  _Out_opt_    LPDWORD lpBytesReturned, //实际返回的字节数，对应驱动程序中pIrp->IoStatus.Information。
  _Inout_opt_  LPOVERLAPPED lpOverlapped //重叠操作结构指针。同步设为NULL，DeviceIoControl将进行阻塞调用；否则，应在编程时按异步操作设计
);
HANDLE CreateFile(
  LPCTSTR lpFileName,                         //打开的文件名
  DWORD dwDesiredAccess,                    //访问权限
  DWORD dwShareMode,                      //共享模式
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,   //安全属性
  DWORD dwCreationDisposition,               //文件存在与不存在时的文件创建模式
  DWORD dwFlagsAndAttributes,                //文件属性设定（隐藏、只读、压缩、指定为系统文件等）
  HANDLE hTemplateFile                       //文件副本句柄
);

五、总结DeviceIoControl的通信流程

1.驱动程序和应用程序自定义好IO控制码 （CTL_CODE宏 四个参数，32位，4部分，存储设备类型，访问权限，操作功能，缓冲区数据传递方式（四种））

2.驱动程序定义驱动设备名，符号链接名， 将符号链接名与设备对象名称关联 ，等待IO控制码（IoCreateDevice，IoCreateSymbolicLink）

3.应用程序由符号链接名通过CreateFile函数获取到设备句柄DeviceHandle，再用本场的主角，DeviceIoControl通过这个设备句柄发送控制码给派遣函数。

六、源代码

BufferedIO.h

#pragma once
#include <ntifs.h>

#define CTL_SYS \
    CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x830,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)

#define DEVICE_OBJECT_NAME  L"\\Device\\BufferedIODeviceObjectName"
//设备与设备之间通信
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\DosDevices\\BufferedIODevcieLinkName"
//设备与Ring3之间通信
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject);
NTSTATUS PassThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp);
NTSTATUS ControlThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp);

BufferedIO.c

#include "BufferedIO.h"

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegisterPath)
{
    NTSTATUS Status = STATUS_SUCCESS;
    PDEVICE_OBJECT  DeviceObject = NULL;
    UNICODE_STRING  DeviceObjectName;
    UNICODE_STRING  DeviceLinkName;
    ULONG           i;
    //   栈
    //   堆
    //   全局(global Static Const)
    DriverObject->DriverUnload = DriverUnload;

    //创建设备对象名称
    RtlInitUnicodeString(&DeviceObjectName,DEVICE_OBJECT_NAME);

    //创建设备对象
    Status = IoCreateDevice(DriverObject,NULL,
        &DeviceObjectName,
        FILE_DEVICE_UNKNOWN,
        0, FALSE,
        &DeviceObject);
    if (!NT_SUCCESS(Status))
    {
        return Status;
    }
    //创建设备连接名称
    RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);

    //将设备连接名称与设备名称关联
    Status = IoCreateSymbolicLink(&DeviceLinkName,&DeviceObjectName);

    if (!NT_SUCCESS(Status))
    {
        IoDeleteDevice(DeviceObject);
        return Status;
    }
    //设计符合我们代码的派遣历程
    for (i=0;i<IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION;i++)
    {
        DriverObject->MajorFunction[i] = PassThroughDispatch;   //函数指针
    }
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = ControlThroughDispatch;
    return Status;
}
//派遣历程
NTSTATUS PassThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject,PIRP Irp)
{
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;     //LastError()
    Irp->IoStatus.Information = 0;             //ReturnLength
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);   //将Irp返回给Io管理器
    return STATUS_SUCCESS;
}
NTSTATUS ControlThroughDispatch(PDEVICE_OBJECT  DeviceObject, PIRP Irp)
{
    NTSTATUS Status;
    ULONG_PTR Informaiton = 0;
    PVOID InputData = NULL;
    ULONG InputDataLength = 0;
    PVOID OutputData = NULL;
    ULONG OutputDataLength = 0;
    ULONG IoControlCode = 0;
    PIO_STACK_LOCATION  IoStackLocation = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);  //Irp堆栈
    IoControlCode = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
    InputData  = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    OutputData = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
    InputDataLength  = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength;
    OutputDataLength = IoStackLocation->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength;
    switch (IoControlCode)
    {
    case CTL_SYS:
    {
        if (InputData != NULL&&InputDataLength > 0)
        {
            DbgPrint("%s\r\n", InputData);
        }
        if (OutputData != NULL&&OutputDataLength >= strlen("Ring0->Ring3") + 1)
        {
            memcpy(OutputData, "Ring0->Ring3", strlen("Ring0->Ring3") + 1);
            Status = STATUS_SUCCESS;
            Informaiton = strlen("Ring0->Ring3") + 1;
        }
        else
        {
            Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;   //内存不够
            Informaiton = 0;
        }
        break;
    }
    default:
        break;
    }
    Irp->IoStatus.Status = Status;             //Ring3 GetLastError();
    Irp->IoStatus.Information = Informaiton;
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);  //将Irp返回给Io管理器
    return Status;                            //Ring3 DeviceIoControl()返回值
}
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    UNICODE_STRING  DeviceLinkName;
    PDEVICE_OBJECT  v1 = NULL;
    PDEVICE_OBJECT  DeleteDeviceObject = NULL;

    RtlInitUnicodeString(&DeviceLinkName, DEVICE_LINK_NAME);
    IoDeleteSymbolicLink(&DeviceLinkName);

    DeleteDeviceObject = DriverObject->DeviceObject;
    while (DeleteDeviceObject != NULL)
    {
        v1 = DeleteDeviceObject->NextDevice;
        IoDeleteDevice(DeleteDeviceObject);
        DeleteDeviceObject = v1;
    }
}

IO.cpp

// 缓冲区IO.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#define DEVICE_LINK_NAME    L"\\\\.\\BufferedIODevcieLinkName"

#define CTL_SYS \
    CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x830,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)
int main()
{
    HANDLE DeviceHandle = CreateFile(DEVICE_LINK_NAME,
        GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
        NULL,
        OPEN_EXISTING,
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
        NULL);
    if (DeviceHandle==INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        return 0;
    }
    char BufferData = NULL;
    DWORD ReturnLength = 0;
    BOOL IsOk = DeviceIoControl(DeviceHandle, CTL_SYS,
        "Ring3->Ring0",
        strlen("Ring3->Ring0")+1,
        (LPVOID)BufferData,
        0,
        &ReturnLength,
        NULL);
    if (IsOk == FALSE)
    {
        int LastError = GetLastError();

        if (LastError == ERROR_NO_SYSTEM_RESOURCES)
        {
            char BufferData[MAX_PATH] = { 0 };
            IsOk = DeviceIoControl(DeviceHandle, CTL_SYS,
                "Ring3->Ring0",
                strlen("Ring3->Ring0") + 1,
                (LPVOID)BufferData,
                MAX_PATH,
                &ReturnLength,
                NULL);

            if (IsOk == TRUE)
            {
                printf("%s\r\n", BufferData);
            }
        }
    }
    if (DeviceHandle != NULL)
    {
        CloseHandle(DeviceHandle);
        DeviceHandle = NULL;
    }
    printf("Input AnyKey To Exit\r\n");

    getchar();
    return 0;
}

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