应用程序与驱动程序交互函数DeviceIoControl详解

这种通信方式，就是驱动程序和应用程序自定义一种IO控制码，然后调用DeviceIoControl函数，IO管理器会产生一个MajorFunction 为IRP_MJ_DEVICE_CONTROL（DeviceIoControl函数会产生此IRP），MinorFunction 为自己定义的控制码的IRP，系统就调用相应的处理IRP_MJ_DEVICE_CONTROL的派遣函数，你在派遣函数中判断MinorFunction ，是自定义的控制码你就进行相应的处理。

一.先谈一下这个定义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：
　　#define METHOD_BUFFERED 0
　　#define METHOD_IN_DIRECT 1
　　#define METHOD_OUT_DIRECT 2
　　#define METHOD_NEITHER 3

（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（借图）：

　　（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。如图21.1.14所示。
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
　　8METHOD_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（借图）：
　　

（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（借图）：

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
);

最后总结一下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。

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;             //ReturnLengthIoCompleteRequest(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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