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Windows NT/2000内部数据结构探究
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Windows NT/2000内部数据结构探究
                   WebCrazy(tsu00@263.net)
                        注:本文最初见于www.nsfocus.com

    WINDOWS系统隐含了不少内部数据结构,其记录着与系统相关的所有重要信息如线程、进程、内核调用等等,具体如Windows NT/2000模块ntoskrnl.exe中的NtBuildNumber与KeServiceDescriptorTable等(用SoftICE或Visual Studio所带的Dependency Walker之类的可以看到),前者只是指出当前Windows的Build号(如SoftICE下可用dw命令查出我的机器中为0893h 即十进制2195);后者是指向如下数据结构的指针:
    struct _ServiceDescriptorEntry {
       unsigned int *ServiceTableBase;
       unsigned int *ServiceCounterTableBase;
       unsigned int NumberOfServices;
       unsigned char *ParamTableBase;
    }ServiceDescriptorTableEntry

    其典型应用为Mark Russinovich与Bryce Cogswell的Regmon,具体可以参阅www.sysinternals.com.
    本文仅在Intel i386的Windows 2000 Server(Build 2195)中对TEB(Thread Environment Block)作初步介绍.
    TEB在Windows 9x系列中称为TIB(Thread Information Block),她纪录着线程的重要信息,每一个线程对应一个TEB结构。其格式如下(摘自Matt Pietrek的Under the Hood专栏-MSJ 1996):
    typedef struct _TIB
    {
        PEXCEPTION_REGISTRATION_RECORD pvExcept; // 00h Head of exception record list
        PVOID pvStackUserTop; // 04h Top of user stack
        PVOID pvStackUserBase; // 08h Base of user stack

        union // 0Ch (NT/Win95 differences)
        {
            struct // Win95 fields
            {
                WORD pvTDB; // 0Ch TDB
                WORD pvThunkSS; // 0Eh SS selector used for thunking to 16 bits
                DWORD unknown1; // 10h
            } WIN95;

            struct // WinNT fields
            {
                PVOID SubSystemTib; // 0Ch
                ULONG FiberData; // 10h
            } WINNT;
        } TIB_UNION1;

        PVOID pvArbitrary; // 14h Available for application use
        struct _tib *ptibSelf; // 18h Linear address of TIB structure

        union // 1Ch (NT/Win95 differences)
        {
            struct // Win95 fields
            {
                WORD TIBFlags; // 1Ch
                WORD Win16MutexCount; // 1Eh
                DWORD DebugContext; // 20h
                DWORD pCurrentPriority; // 24h
                DWORD pvQueue; // 28h Message Queue selector
            } WIN95;

            struct // WinNT fields
            {
                DWORD unknown1; // 1Ch
                DWORD processID; // 20h
                DWORD threadID; // 24h
                DWORD unknown2; // 28h
            } WINNT;
        } TIB_UNION2;

        PVOID* pvTLSArray; // 2Ch Thread Local Storage array

        union // 30h (NT/Win95 differences)
        {
            struct // Win95 fields
            {
                PVOID* pProcess; // 30h Pointer to owning process database
            } WIN95;
        } TIB_UNION3;

     } TIB, *PTIB;

  在Windows 2000 DDK中定义为:
    typedef struct _NT_TIB
    {
        struct _EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD *ExceptionList;
        PVOID StackBase;
        PVOID StackLimit;
        PVOID SubSystemTib;
        union {
            PVOID FiberData;
            ULONG Version;
        };
        PVOID ArbitraryUserPointer;
        struct _NT_TIB *Self;
    } NT_TIB;

    庆幸的是,Windows在调入进程,创建线程时,操作系统均会为每个线程分配TEB,而且都将FS段选择器(i386)指向当前线程的TEB数据(单 CPU机器在任何时刻系统中只有一条线程在执行),这就为我们提供了存取TEB数据的途径。实际上Windows都是通过这种方法来为你的应用程序提供信 息的,让我们来看一个例子吧!大家都知道用GetCurrentThreadID API来获得当前线程ID的,其在Kernel32.dll是如下实现的:

    GetCurrentThreadID:
    mov eax, FS:[00000018] ; 18h Linear address of TIB structure(TIB结构线性地址)
    mov eax, [eax+24] ; 24h ThreadID
    ret ; 将EAX中的值返回给调用者

    由于TEB结构过于庞大,我现在只来谈谈偏移量为00h的struct _EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD *ExceptionList,并结合CIH 1.3源码来说说它具体用处。ExceptionList主要用于处理SEH(Structured Exception Handling)的。如果你连C语言中新增的_try,_except与_finally也不熟悉的话,建议请先看看Jeffery Richter的<<Advanced Windows NT>>或之类的。

  首先让我们来看看_EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD结构,在CRT(C++ RunTime library)源码中它如下定义:

    // Exsup.INC ---Microsoft Visual C++ CRT 源文件

    _EXCEPTION_REGISTRATION struc
    prev dd ?
    handler dd ?
    _EXCEPTION_REGISTRATION ends

    其中prev是指向前一_EXCEPTION_REGISTRATION的指针,形成一链状结构,这样才会在EXCPT.H中有EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH这样的定义(参阅&t;<Advanced Windows NT>>);handler指向异常处理代码。

    CIH正是利用了这一机制,将handler指向它自己程序中。在它入口处有如下代码:

       .
       .
       .

    ; *********************************************************
    ; * Ring3 Virus Game Initial Program *
    ; *********************************************************

    MyVirusStart: ; Ring3代码入口点
    push ebp

    ; *************************************
    ; * Let's Modify Structured Exception *
    ; * Handing, Prevent Exception Error *
    ; * Occurrence, Especially in NT. *
    ; *************************************

    lea eax, [esp-04h*2]                 ;在栈中分配8字节存放_EXCEPTION_REGISTRATION结构
                     ;相当于C中基于栈的数据,即局部变量(C编译器中完成)
                                         ;这样EAX即指向_EXCEPTION_REGISTRATION的指针,但此时
                     ;_EXCEPTION_REGISTRATION结构未初始化
                                         ;具体实现机制可翻阅编译原理书籍和Matt Pietrek大师文章

                             
    xor ebx, ebx ;0->EBX
    xchg eax, fs:[ebx] ;FS:[0]<->EAX     ;此时EAX存放的是原来异常处理代码,FS:[0]指向TEB中
                      ;ExceptionList(FS指向TEB,ExceptionList偏移为0,即FS:[0])

    call @0
    @0:
    pop ebx                              ;此三行计算代码入口,此时ebx就是@0的地址
    lea ecx, StopToRunVirusCode-@0[ebx]  ;将ecx指向自己内部代码处
    push ecx                             ;填充_EXCEPTION_REGISTRATION结构的handler
                     ;在发生异常时,操作系统会自动调用,此时为CIH代码

    push eax                             ;EAX为原来异常处理代码
                                         ;填充_EXCEPTION_REGISTRATION结构的prev

       .
       .
       .

    这其后CIH调用int 3使系统发生异常,仍能进入自已的代码,这可从CIH源代码中的如下注释得到证实:

    ; *************************************
    ; * Generate Exception to Get Ring0 *
    ; *************************************

    int HookExceptionNumber               ; GenerateException
  HookExceptionNumber定义为3,此段代码会产生异常,具体请参阅CIH源代码。

    因为如上代码比较抽象,我特意将它稍加修改,以便于理解(PE格式可直接在Windows下执行):

    // TestCIH.C 有任何问题联系tsu00@263.net

    #include <windows.h>
    #include <stdio.h>
    EXCEPTION_DISPOSITION __cdecl _except_handler(  //异常处理程序段               
        struct _EXCEPTION_RECORD *ExceptionRecord,
        void * EstablisherFrame,
        struct _CONTEXT *ContextRecord,
        void * DispatcherContext )
    {
        printf( "CIH Run Here...\n" );
        exit(0); //由于堆栈已被程序打乱,有兴趣的可以自己将它恢复,这儿我只简单的退出
    }

    void main(void)
    {
        _asm
        {
            push ebp

            mov eax, esp
            sub eax, 8         //这两行相当于lea eax, [esp-04h*2]
            xor ebx, ebx
            xchg eax, fs:[ebx]

            call next
      next:
            pop ebx                    //这三行在这没实在意义,只是为了与CIH对比

            lea ecx, _except_handler  //将_except_handler设为异常处理入口
            push ecx

            push eax
        }

        _asm
        {
            mov eax,0
            mov [eax],0       //发生STATUS_ACCESS_VIOLATION异常让操作系统调用_except_handler
        }
    }

    _except_handler回调函数原形可参阅EXCPT.H 
    在main函数中第一个_asm段与前面讨论的CIH代码基本一致,而第二个_asm段则试图写系统保留内存地址,发生异常。
    使用Visual C++如下编译:
        c:>Cl testCIH.c
        c:>testCIH
           CIH Run Here...
    在Windows 2000中,运行此段代码时,出现异常后操作系统将控制权交给_except_handler执行,这样CIH代码在NT/2000环境下在系统修改被其保护的内存地址时(IDT区域),不至于出现非法操作等提示,以达到保护自己的目的!

    我总觉得了解系统安全,首先必须对这个系统有足够的了解,就像了解CIH病毒一样,而目前国内在这方面的资料可真谓少之又少,本文仅在这方面说出我自己的一些切身实践,错误之处,在所难免。如果您有任何发现,如果您对这方面有比较有兴趣,请联系tsu00@263.net.

    最后很感谢绿盟高手的指点与帮助!

    参考文献:

        1.Jeffrey Richter <<Advanced Windows NT>>
        2.Matt Pietrek <<A Crash Course on the Depths of Win32 Structured Exception Handling>>
        3.CIH 1.3源代码
<< 再谈Windows NT/200... / Visual C 窗体设计技巧... >>

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