使用NDIS驱动监测以太网络活动

转载自： http://blog.csdn.net/ddtpower/article/details/656687
本论文提供了NDIS的基本的理解，应用程序如何与驱动程序交互，发挥驱动程序最佳性能。本论文也说明了使用例子驱动（PACKET.SYS）监测以太网的应用程序。本论文不是帮助程序员开发网络驱动而是帮助他使用这样的驱动。


引言
从计算机被发明以来，对大多数编程人员来说，编写设备驱动都是令人着迷的。开发驱动是为了满足特定应用的需要。这个目的导致大量不同种类的驱动被开发出来，例如打印机驱动，文件系统驱动等。此外，特定的应用与特定种类的驱动相对应。随着Internet的到来，编写网络驱动成为驱动开发的核心。为帮助开发网络设备驱动，微软为Windows
NT操作系统开发了网络设备接口规范（NDIS）库。
1、简介
1、1 什么是设备驱动
设备驱动是操作系统和输入输出设备间的粘合剂。驱动负责将操作系统的请求传输，转化为特定物理设备控制器能够理解的命令。
1、2 什么是网络接口卡
网络接口卡（NIC）是一个物理设备，类似于网关，通过它，网络中的任何设备都可以发送和接收数据帧。不同网络中，网络接口卡的名称是不同的。例如，以太网中称为以太网接口卡，令牌环网中称为令牌环网接口卡，等等。


1、3 什么是网络驱动接口规范（NDIS）
网络驱动接口规范描述了一个接口，通过这个接口，一个或多个NIC驱动可以与一个或多个覆盖在其上的协议驱动和操作系统通信。NDIS为网络驱动开发提供了完整的抽象。对所有外部功能来说，NIC驱动都依赖于NDIS，这些功能包括与协议驱动的通信，注册，截获NIC硬件中断，与下层的NIC的通信。
1、4 为什么需要NDIS
NDIS库（NDIS.SYS）为NIC驱动的编写提供了完整的抽象接口。库输出所有可以在NIC驱动开发中使用的NT内核模式函数。这个库负责响应所有下层NIC驱动特定的任务，保持绑定和状态信息。
2、特点与使用
2、1基本特征
l 单NIC驱动
l NDIS库
l 均衡处理器支持
l 多协议驱动支持
l 管理
l 发送类型
l 操作标志
l 全双工操作
l ARCNET和WAN支持
2、2 驱动类型
Windows NT支持三种类型的驱动：
l 网络接口卡驱动（NIC）
l 中间协议驱动
l 上层协议驱动

2、2、1 网络接口卡驱动
NIC驱动管理网络接口卡（NIC）。NIC驱动接口在下边界直接控制硬件（NIC），在上边界提供上层驱动访问的接口：
l 发送和接收包
l 重置NIC（Reset）
l 停止NIC
l 查询NIC
l 设置NIC操作特性
NIC驱动的两种类型
l 微端口驱动：微端口驱动应用于管理NIC硬件特殊操作，包括在NIC上发送和接收数据。微端口驱动不能直接呼叫系统例程，只能呼叫NDIS提供的函数。
l 完全NIC驱动：完全NIC驱动不仅管理硬件而且管理NDIS完成的的操作系统特定任务。完全NIC驱动必须保持接收数据的绑定信息。
2、2、2 中间协议驱动
中间协议驱动接口位于上层协议驱动和微端口驱动之间。对于上层传输驱动程序来书，中间驱动看起来像是微端口驱动。对微端口驱动来说，看起来像是协议驱动。使用中间协议驱动的主要是为了传输媒质，存在于对于传输驱动未知和微端口管理之间的新的媒质类型。

2、2、3 上层协议驱动
上层协议驱动应用于TDI接口或其它向用户提供服务的特定应用接口。例如驱动调用NDIS分配包，向包中烤贝数据和向底层发送包。它也在它的底层提供协议接口，来接收下层驱动发送来的包。

2、3 应用程序和驱动的交互
在Windows NT下的所有驱动必须具有DriverEntry函数，作为驱动的进入点。驱动中其它的函数是通过DriverEntry函数声明的。应用程序调用函数如CreateFile，ReadFile等，会由NT I/O管理器生成相应IRP（输入/输出请求包）。
在NT下，几乎所有I/O操作都是包驱动的。每个I/O操作由工作顺序来描述，工作顺序告诉驱动做什么和通过I/O子系统追踪请求的过程。这些工作顺序通过一个称为I/O请求包（IRP）的数据结构的形式给出。这个IRP为完成特定操作按顺序调用驱动中的进入点。


3、在以太网中使用NDIS监测数据包
本节以一个NDIS驱动例子说明监测以太网。
Packet 监测捕获在局域网中传输的的所有包。这是由以太网的广播特性决定的。通过以太网发送的包是向网络中所有计算机广播的。每台计算机上的以太网卡检查每个包的目的是否是它自己，如果是则接收，不是则拒绝。利用这个基本的功能来捕获网络中传输的所有数据包。以太网卡可以被设置工作于好几种模式，可以设置于期望中的捕获数据包的模式。一个这样的可以工作于期望的例子驱动程序PACKET.SYS来自微软Windows
NT 设备开发工具（DDK）。

3、1 以太网接口卡的模式
以太网接口卡可以被设置的模式如下：
l 广播
l 多播
l 直接
l 混杂
广播：数据帧可以发向网络中所有计算机，这种帧的目的地址是0xffffff，也称为帧的广播地址。任何设置为广播模式的网卡都接收目的地址为广播地址的数据帧。通常所有的网卡被配置为接收广播帧。
多播：发往一组计算机的帧称为多播帧，使用特定的多播地址作为目的地址。这些计算机的组构成了多播组。这样，多播组里的任何一个成员计算机将会接收具有多播目的地址的帧。尽管网卡可以不是一个多播组里成员，但可以配置为多播模式，这样就可以接收所有多播帧。
直接：发往特定计算机的帧具有特定计算机的物理地址（以太网地址）的目的地址。具有特定物理地址的计算机将接收特定的帧，丢弃其它的帧。网卡可以设置为仅仅接收直接帧。
混杂：设置为这个模式的网卡接收所有收到的数据包。这个模式具有的以太网的广播特性是包监测应用程序的关键。
PACKET.SYS例子驱动可以将网卡设置为以上提到的模式。应用可以利用PACKET.SYS将网卡设置为混杂模式，以便于捕获网络中传输的所有数据包。

3、2 关于例子驱动PACKET.SYS
例子PACKET.SYS来自NT DDK。这个驱动可以将网卡设置为任何期望的模式，并且允许应用程序通过网络发送和接收数据包。除驱动程序的sys文件之外，还提供了一个DLL（PACKET32.DLL），通过此DLL应用程序可以和驱动程序通信。
3、2、1应用程序如何同PACKET.SYS通信
应用程序调用DLL中的函数，这些函数依次调用PACKET.SYS驱动中的进入点。驱动程序利用NDIS.SYS输出函数与网络接口卡通信。



3、2、2 如何在应用程序中使用PACKET32.DLL
应用程序使用驱动读取所有到达NIC的数据包。以下示例说明了这个过程。
在上述过程中使用的结构体定义如下：

typedef struct _ADAPTER 
{ 
	HANDLE     hFile;								// 保存由CreateFile方法返回的句柄
	TCHAR      SymbolicLink[MAX_LINK_NAME_LENGTH];	// 保存驱动的符号链接名
} ADAPTER, *LPADAPTER;

typedef struct _PACKET 
{
	HANDLE       hEvent;	// 保存和适配器对象相应的事件句柄
	OVERLAPPED   OverLapped;// 包含异步输入输出信息的OVERLAPPED结构
	PVOID        Buffer;	// 包含发送和接收数据的缓冲区
	UINT         Length;	// 缓冲区长度
} PACKET, *LPPACKET;

typedef struct _CONTROL_BLOCK 
{
    LPADAPTER   hFile;				// 指向适配器对象的指针
    HANDLE      hEvent;				// 保存事件句柄   
    // Name of the driver as registered in the registry.
    TCHAR       AdapterName[64];	// 注册表中注册的驱动名         
    HANDLE      hMem;				// 保存接收数据包的缓冲区
    LPBYTE      lpMem;
    HGLOBAL     hMem2;				//  保存发送数据包的缓冲区
    LPBYTE      lpMem2;        
	ULONG       PacketLength;		// 包长度 
	ULONG       LastReadSize;		// 最后读取的包大小   
	UINT        BufferSize;			// 缓冲区长度
} CONTROL_BLOCK, *PCONTROL_BLOCK;

应用程序开始

CONTROL_BLOCK cbAdapter; 
ULONG NameLength=64;

// 得到驱动在注册表中注册的名字
PacketGetAdapterNames(CbAdapter.AdapterName,&NameLength);

CbAdapter.BufferSize=1514; // 保留1514字节，最大帧长度
 
// 分配并锁定内存缓冲区用于发送和接收数据包
CbAdapter.hMem=GlobalAlloc(GPTR, 1514); 
CbAdapter.lpMem=(LPBYTE)GlobalLock(CbAdapter.hMem);
CbAdapter.hMem2=GlobalAlloc(GPTR,1514);
CbAdapter.lpMem2=(LPBYTE)GlobalLock(CbAdapter.hMem2);
 
// 打开优先的适配器用于接收数据,
// 函数依次调用CreateFile方法，调用驱动程序中相应的进入点。为随后的读写操作打开适配器
CbAdapter.hFile=(ADAPTER*)PacketOpenAdapter(CbAdapter.AdapterName);
 
// 打开适配器域
if (CbAdapter.hFile = = NULL) 
{
	AfxMessageBox("Open Adapter failed");
}
 

// 此Packet对象用于从网络上接收所有数据的包
PVOID Packet;
// 设置过滤条件为混杂(非选择)模式
// 此函数依次呼叫DeviceIoControl方法，用来设置网卡工作于期望的模式。
Filter = NDIS_PACKET_TYPE_PROMISCUOUS;
 
// 设置网卡为混杂模式
PacketSetFilter(CbAdapter.hFile, Filter);
 
// 分配缓冲区用于接收数据包
Packet=PacketAllocatePacket(CbAdapter.hFile);
 
// 初始化接收数据包缓冲区
if(Packet != NULL)
{
	PacketInitPacket((PACKET *)Packet,(char *)pdData[nCurrentWriteLocation].pData,1514);

	// 从驱动中读取数据包
	// 此函数依次调用ReadFile方法来读取通过EIC从网络上收到的数据
	PacketReceivePacket(CbAdapter.hFile,(PACKET *)Packet,TRUE,&pdData[nCurrentWriteLocation].nPacketLength );

上述插入代码描述了应用程序如何使用PACKET.SYS驱动设置以太网接口卡为混杂模式，用来捕获所有网络上的数据包。

以上代码清晰的描述了应用程序利用例子驱动PACKET.SYS将EIC设置为期望的模式，发送和接收数据包。

3、2、3 应用程序中使用的在Packet32.dll中定义的函数如下：
下面的函数PacketGetAdapterNames返回注册表中注册的驱动名

ULONG
PacketGetAdapterNames(
    PTSTR   pStr,
    PULONG BufferSize
   )
{
    HKEY       SystemKey;
    HKEY       ControlSetKey;
    HKEY       ServicesKey;
    HKEY       NdisPerfKey;
    HKEY       LinkageKey;
    LONG       Status;
    DWORD      RegType;
    // Open the Key HKEY_LOCAL_MACHINE,打开HKEY_LOCAL_MACHINE键值
    Status=RegOpenKeyEx(
               HKEY_LOCAL_MACHINE,
               TEXT("SYSTEM"),
               0,
               KEY_READ,
               &SystemKey
               );
    if (Status == ERROR_SUCCESS) {
       // Open the key currentcontrolset 打开currentcontrolset键值
        Status=RegOpenKeyEx(
                   SystemKey,
                   TEXT("CurrentControlSet"),
                   0,
                   KEY_READ,
                   &ControlSetKey
                   );
        if (Status == ERROR_SUCCESS) {
            // Open the key Services打开Services键值
            Status=RegOpenKeyEx(
                       ControlSetKey,
                       TEXT("Services"),
                       0,
                       KEY_READ,
                       &ServicesKey
                       );
            if (Status == ERROR_SUCCESS) {
        // Open the key Packet. 打开Packet键值
        Status=RegOpenKeyEx(
                           ServicesKey,
                           TEXT("Packet"),
                           0,
                           KEY_READ,
                           &NdisPerfKey
                           );
                if (Status == ERROR_SUCCESS) {
            // Open the key Linkage.打开Linkage键值
                    Status=RegOpenKeyEx(
                               NdisPerfKey,
                               TEXT("Linkage"),
                               0,
                               KEY_READ,
                               &LinkageKey
                               );
                    if (Status == ERROR_SUCCESS) {
                   // Open the key Export.      
                        Status=RegQueryValueEx(
                                   LinkageKey,
                                   TEXT("Export"),
                                   NULL,
                                   &RegType,
                                   (LPBYTE)pStr,
                                   BufferSize
                                   );
             // Close all the keys that have been opened so far.关闭已打开的所有键值
                        RegCloseKey(LinkageKey);
                    }
                    RegCloseKey(NdisPerfKey);
                }
                RegCloseKey(ServicesKey);
            }
            RegCloseKey(ControlSetKey);
        }
        RegCloseKey(SystemKey);
    }
    return Status;
}

PVOID PacketOpenAdapter(LPTSTR   AdapterName)
{
	LPADAPTER lpAdapter;
	BOOLEAN    Result;
	 
	ODS("Packet32: PacketOpenAdapter/n");

	// 为适配器对象分配全局内存
	lpAdapter=(LPADAPTER)GlobalAllocPtr(GMEM_MOVEABLE | GMEM_ZEROINIT,sizeof(ADAPTER));
	if (lpAdapter==NULL) 
	{
		 ODS("Packet32: PacketOpenAdapter GlobalAlloc Failed/n");
		 return NULL;
	}
 
	//  将名字拷贝到符号链接名
	wsprintf(lpAdapter->SymbolicLink, TEXT("////.//%s%s"), DOSNAMEPREFIX, &AdapterName[8] );
 
	// Defines an MS-DOS name for the device.
	Result=DefineDosDevice(DDD_RAW_TARGET_PATH,&lpAdapter->SymbolicLink[4], AdapterName);
 
	if (Result) 
	{
		// Creates and returns a file handle for the specified device. 为特定设备创建并返回文件句柄
		lpAdapter->hFile=CreateFile(lpAdapter->SymbolicLink,GENERIC_WRITE | GENERIC_READ,0,NULL,CREATE_ALWAYS,FILE_FLAG_OVERLAPPED,0);
 
		if (lpAdapter->hFile != INVALID_HANDLE_VALUE) 
		{
			return lpAdapter;
		}
	}
	ODS("Packet32: PacketOpenAdapter Could not open adapter /n");
 
	GlobalFreePtr(lpAdapter );
	return NULL;
 }

函数PacketOpenAdapter为设备定义了一个新的DOS设备名，调用CreaetFile方法来创建并打开通信设备，得到指向设备的句柄。应用程序预先调用此函数来发送和接收数据包。CreateFile方法调用驱动中指定为IRP_MJ_CREATE的进入点，此进入点调用NDIS库，输出NdisOpenAdapter函数打开适配器。


以下的函数PacketAllocatePacket为packet对象分配内存，调用CreateEvent函数来建立特定文件句柄的事件。

PVOID PacketAllocatePacket(LPADAPTER   AdapterObject)
{
	LPPACKET    lpPacket;
    //  为Packet对象分配内存
    lpPacket=(LPPACKET)GlobalAllocPtr(GMEM_MOVEABLE | GMEM_ZEROINIT,sizeof(PACKET));
    if (lpPacket==NULL) 
	{
        ODS("Packet32: PacketAllocateSendPacket: GlobalAlloc Failed/n");
        return NULL;
    }
    // 操作结束时建立事件对象 
    lpPacket->OverLapped.hEvent=CreateEvent( NULL,FALSE,FALSE, NULL);
    if (lpPacket->OverLapped.hEvent==NULL)
	{
        ODS("Packet32: PacketAllocateSendPacket: CreateEvent Failed/n");
        GlobalFreePtr(lpPacket);
        return NULL;
    }
    return lpPacket;
}

PacketInitPacket函数设置packet对象缓冲区

VOID PacketInitPacket(LPPACKET    lpPacket,PVOID       Buffer,UINT        Length)
{
    // 设置packet对象缓冲区到缓冲区
    lpPacket->Buffer=Buffer;
	// 设置packet对象缓冲区长度到缓冲区长度
    lpPacket->Length=Length;
}

PacketReceivePacket函数调用驱动中适当的进入点来读取网络中获得的数据包，放入声明的缓冲区。ReadFile方法使用在CreateFile方法中获得的句柄来完成此操作。

BOOLEAN PacketReceivePacket(LPADAPTER AdapterObject,LPPACKET lpPacket,BOOLEAN Sync,PULONG BytesReceived)
{
    BOOLEAN      Result; 
	// 设置偏移量为0
    lpPacket->OverLapped.Offset=0;
    lpPacket->OverLapped.OffsetHigh=0;
    if (!ResetEvent(lpPacket->OverLapped.hEvent)) 
	{
        return FALSE;
    }
    // 调用ReadFile来读取数据包
    Result=ReadFile(AdapterObject->hFile,lpPacket->Buffer, lpPacket->Length, BytesReceived, &lpPacket->OverLapped);
    if (Sync) 
	{
        // They want to wait
        Result=GetOverlappedResult(AdapterObject->hFile,&lpPacket->OverLapped,BytesReceived, TRUE );
    }
    else
	{
        // They don't want to wait, they will call PacketWaitPacket to get
        // The real result
        //不等待，调用PacketWaitPacket得到真实值
        Result = TRUE;
    }
    return Result;
}

使用驱动PACKET.SYS监测有许多例程是有用的。注意，没有提供更多的应用细节。
本节仅仅说明了使用NDIS例子驱动PACKET.SYS监控所有网络动作的应用程序如何编写。


4、如何识别HTTP请求
上节描述了怎样从以太网中捕获所有的数据包。我们的意图是不仅仅捕获所有数据包，并且监控网络上的Internet活动，这意味着我们应该识别携带HTTP请求的数据包。这需要以太网帧结构和IP。本节描述了TCP/IP包的标识，HTTP请求的标识，帧中的URL信息的获取。


4、1 网络数据流
为了在分层的网络中传输数据，从应用程序传输数据到协议栈中中相应的协议。之后，此协议处理完数据之后，将数据传向栈中的下一个协议。在数据穿越每一层协议的同时，协议栈上相应协议为了栈中下一层协议，将数据封装起来。因此，封装就是一个将数据存储成协议栈中更低层协议要求的格式的过程。
因此，我们可以看出，应用程序模块封装从用户应用消息传来的数据；TCP模块封装应用数据，增加TCP头并且发往下一层；当数据传向网络栈中IP模块时，IP模块将TCP段格式化为IP报文或称为包；以太网驱动将IP模块传来的数据格式化并将数据放入以太网帧中。
这就解释了帧中如何封装IP报文，IP包如何封装TCP/UDP数据。为了识别HTTP请求，首先，我们应该识别包为TCP/IP包，然后检查此包是否是TCP包，最后识别此包是否HTTP请求。


4、2 识别TCP/IP包
为识别一个数据包是TCP/IP包，我们应该首先看看以太网的帧结构。
以太网的帧数据包含了14字节头。
以太网帧头的域是：
l 目的地址（6字节）
l 源地址（6字节）
l 帧类型（2字节）
就像名字的含义，目的地址域说明了以太网帧的目的。类似的，源地址说明了帧的源。帧的类型域是我们关心的。这个域标识了帧的协议。
如果包是有效的IP包，则帧类型域（第13和第14字节）将会是080016。





4、3 识别TCP包
识别了TCP/IP包之后，下一个任务是识别出包是否是TCP包或其他包。因为HTTP请求仅仅通过TCP请求来传输，所以我们可以忽略其他包。为确定包是否是一个TCP包，我们必须分析IP头。IP头如下所示：
IP头的重要域是：
l 头部长度（4位）和版本号（4位）
l 包总长度（2字节）
l 数据在传输层上使用的协议类型。下表说明了IP包的通用TCP/IP协议类型域

Protocol	Value(Decimal)
TCP	6
UDP	17
ICMP	1
IGMP	2

l 头部校验和（2字节）
l 源IP（4字节）
l 目的IP（4字节）
IP头中协议域的值为06说明了数据包是TCP包。

4、4 识别HTTP请求
识别出数据包是TCP包后，我们必须识别包是否是HTTP请求包。为找出包中是否包含HTTP请求，我们必须检查TCP头，TCP头如下所示：
TCP头中重要的域是：
l 源端口（2字节）
l 目的端口（2字节）
l 序列号（4字节）
l 标识号（4字节）
l Hlen，保留和代码位（2字节）
l 窗口（2字节）
l 校验和（2字节）
l 紧急点（2字节）
如上所述，TCP头中，我们最关心的域是源和目的端口域。这些域说明了连接建立的端口。不同的TCP服务比如HTTP，FTP等等使用特定的端口号来提供他们的服务。
对HTTP服务来说，端口号是008010或005016。如果源端口域包含值是80（HTTP端口号），则包就是HTTP响应包。如果目的端口域是80，则包是HTTP请求包。

4、5 获取URL
现在我们已经发现包是一个HTTP请求包了，找到包中包含的URL地址就相对简单了。
在浏览器中键入的请求被以GET或POST请求的形式被发HTTP服务器。浏览器添加其他的与浏览器相关的信息，发往相应的HTTP服务器。完整的信息包含了封装在数据包中的请求页的URL。因此，依靠分析数据包就可以得到URL。URL出项在数据包中的通用格式为：
GET/HTTP/1.0
以上的URL是我们键入浏览器的任何站点默认页。如果我们请求站点的其他页或点击页面中提供的链接，然后请求页也被放入GET请求中。例如，当我们请求的页面为sample.html，则URL将会是：
GET/sample.html HTTP/1.0
因此，通过在数据包中查找GET串，就可以获取URL请求。


5、 驱动性能和操作系统兼容性
在混杂模式下，驱动捕获到达网卡的所有数据包。如果网络流量很大，就有可能不能捕获而丢包。这必须考虑在内。驱动中使用的是NDIS版本是3.0。驱动在Windows NT下工作良好，但不能在Windows95下工作，因为Windows95仅仅支持的是NDIS是2.1版本和NDIS 3.1版本。
在WINDOWS CE中使用驱动的相关问题
Windows CE中NDIS应用是Windows NT下NDIS4.0的一个子集。为Windows NT写的驱动代码可以在Windows CE下工作，但需要考虑到一些问题。才Windows CE下，驱动会被编译为DLL，而不是Windows NT下的.SYS文件。而且，CE不支持内建的DMA和分配连续的内存块。更进一步，为CE编写NDIS驱动，程序员必须考虑到电源管理的问题。这就是说，必须提供附加的电源管理代码。