截取系统API调用

 

在很多情况下，为了测试代码或扩展操作系统的功能，软件开发人员或测试人员必须截取系统函数调用。有一些软件包能够提供该功能，如微软公司的 Detours* 库，或 OK Thinking Software 的 Syringe*。但是从另一个角度而言，开发人员可能希望不需借助第三方软件，自己就能实现该功能。

本文描述了函数截取的几种不同方式，并详细介绍了无需使用商业软件包，也不需受 GNU*（通用公共许可证）许可的约束，就能够实现该功能的一种通用方法。本文所有材料由英特尔公司开发，或根据 MSDN* 样本代码修改而来。

截取系统函数调用的两项基本技术
大部分截取任意函数调用的方法都是准备一个 DLL，用来替代将被截取的目标函数，然后将 DLL 注入至目标进程；在与目标进程连接的基础上，DLL 将自己与目标函数相连。这种技术之所以适合此任务，是因为在大多数情况下我们无法获得目标应用程序的源代码，而这种技术只需相对简单地编写一个包含代换函数的 DLL，就可将其与软件的其它部分分离开来。

两种截取方法已经过研究和分析。Syringe 通过修改函数输入条目（thunking 表）运行。而Detours 库则直接修改目标函数（在目标进程空间内），并无条件地跳转至代换函数。此外，它还提供能够调用原始函数的 trampoline 函数。

Detours 技术之所以采用后一种方法，是因为在许多情况下，Syringe 无法找到 thunk，并且它不能提供 trampoline功能来调用原始函数。在这两种方法下，注入 DLL 的工作方式相同。

截取系统函数调用的全部工作流程如下所示：


1.DLL 注入 — 首先，主软件打开目标进程，并使其加载包含代换函数的 DLL。


2.目标函数修改 — 当 DLL 连接至进程时，它在目标进程空间内修改目标函数，从而直接跳转至 DLL 中的代换函数。Trampoline 函数能够随意调用原始函数。


3.目标函数截取 — 当调用目标函数时，它直接跳转至 DLL 中的代换函数。如果开发人员希望调用原始的功能，则他或她就可以调用 trampoline 函数。


DLL 注入
本节内容完全以 MSDN 文章“定制调试诊断工具和实用程序 — 摆脱 DLL“地狱” （DLL Hell）*”为基础，该文章还包括可下载的源代码。在本文附录中可获得 Inject.cpp 和 Inject.h 。已对它们进行了定制以便于集成——仅需将其包括在项目中然后调用 InjectLib 即可。使目标进程加载 DLL 的算法按如下步骤工作：


1.通过调用 OpenProcess 打开目标进程。


2.通过调用 VirtualAllocEx 在目标进程中分配内存。利用 WriteProcessMemory 将要被注入的 DLL 名称写入分配的内存。


3.通过调用 GetProcAddress(GetModuleHandle(TEXT("Kernel32")), "LoadLibraryW") 来获取 LoadLibrary 的地址；


4.调用 CreateRemoteThread，指定 LoadLibrary 的入口点，并将 DLL （第 2 步中） 的名称作为其自变量。目标进程将加载 DLL。


5.利用 VirtualFreeEx 释放分配的内存。已不再需要该内存。



Inject.cpp 融合了包括稳固的安全特性等大量其它功能，但上述步骤已足够阐明其核心概念。

目标函数修改
目标函数修改为自我修改代码，尽管在将 jmp 注入进程内存的过程中存在一些缺陷，但它在 MSDN* 上具有完善的文件证明。为避免混淆，本节列出了几乎全部的样本代码。

目标函数修改的两个主要方面为代换函数和 trampoline 函数。下面的代码片断为截取 GetSystemPowerStatus API 的 DLL 示例：
这段代码为连接所做的第一件事就是调用 InterceptAPI。需要使用包含目标函数的模块名称、目标函数的名称以及代换函数的地址。 GetSystemPowerStatus 位于 kernel32.dll 中。其它基本的 Win32* API，如 MessageBox 和 PeekMessage，都能够在 user32.dll 中获得。MSDN 指定每个 API 所属的模块；未来的增强版中，将自动为给定的 API 找到正确的模块。

InterceptAPI 将目标函数的前五个字节覆盖为无条件跳转（opcode 0xE9），后面为四个字节的带符号整数（向代换函数的位移）。位移从下一个指令开始；因此需要使用 pbReplaced - (pbTargetCode +4)。进行该代码操作时，需要注意以下两点：


1.将区域覆盖的保护模式改为 VirtualProtect。否则，将发生非法访问错误。


2.必须使用 FlushInstructionCache 来支持指令已存在于高速缓存中的情况。否则，即使内存中的指令已经有所变化，旧代码仍将在高速缓存中运行。


现在，当调用 GetSystemPowerStatus 函数时，它跳转至代换函数，然后直接返回调用方，成功截取调用。


Trampoline 函数
在很多情况下，代换函数除使用自身代码外，还需调用原始目标函数，这样就能够扩展 API 的功能，而不是替换整个 API。Trampoline 函数可以提供该功能。Trampoline 函数的原理如下所示：


*编写一个具有相同声明的哑元函数（dummy function），将作为 trampoline 使用。确保哑元函数的长度超过 10 个字节。


*在覆盖目标函数的前五个字节之前，将它们复制到 trampoline 函数的起始处。


*利用无条件跳转，将trampoline的第六个字节覆盖为目标函数的第六个字节。


*与之前一样覆盖目标函数。


*当从代换函数或其它地方调用 trampoline 函数时，它执行复制出的原始代码的前五个字节，然后跳转至实际原始代码的第六个字节。控制返回至 trampoline 的调用方。当完成其它任务时，控制返回至 API 的控制方。


可能存在一种复杂的情况，即原始代码的第六个字节可能是先前指令的一部分。在这种情况下，函数会覆盖部分先前指令，然后崩溃。在 GetSystemPowerStatus 的情况中，前五个字节后的新指令开始于第七个字节。因此，对于这种工作机制，需要将六个字节复制到 trampoline，并且代码必须相应地调整这个偏移量。

代码需要复制的字节数取决于 API。查看原始目标代码（利用调试器或反汇编器）并计算需要复制的字节数是非常必要的。未来的增强版将自动检测正确的偏移量。假设我们已经知道正确的偏移量，下面的代码则显示出可建立 trampoline 函数的可扩展 InterceptAPI 函数：
BOOL InterceptAPI(HMODULE hLocalModule, const char* c_szDllName, const char* c_szApiName,
DWORD dwReplaced, DWORD dwTrampoline, int offset)
{
int i;
DWORD dwOldProtect;
DWORD dwAddressToIntercept = (DWORD)GetProcAddress(
GetModuleHandle((char*)c_szDllName), (char*)c_szApiName);

BYTE *pbTargetCode = (BYTE *) dwAddressToIntercept;
BYTE *pbReplaced = (BYTE *) dwReplaced;
BYTE *pbTrampoline = (BYTE *) dwTrampoline;

// Change the protection of the trampoline region
// so that we can overwrite the first 5 + offset bytes.
VirtualProtect((void *) dwTrampoline, 5+offset, PAGE_WRITECOPY, &dwOldProtect);
for (i=0;i<offset;i++)
*pbTrampoline++ = *pbTargetCode++;
pbTargetCode = (BYTE *) dwAddressToIntercept;

// Insert unconditional jump in the trampoline.
*pbTrampoline++ = 0xE9; // jump rel32
*((signed int *)(pbTrampoline)) = (pbTargetCode+offset) - (pbTrampoline + 4);
VirtualProtect((void *) dwTrampoline, 5+offset, PAGE_EXECUTE, &dwOldProtect);

// Overwrite the first 5 bytes of the target function
VirtualProtect((void *) dwAddressToIntercept, 5, PAGE_WRITECOPY, &dwOldProtect);
*pbTargetCode++ = 0xE9; // jump rel32
*((signed int *)(pbTargetCode)) = pbReplaced - (pbTargetCode +4);
VirtualProtect((void *) dwAddressToIntercept, 5, PAGE_EXECUTE, &dwOldProtect);

// Flush the instruction cache to make sure
// the modified code is executed.
FlushInstructionCache(GetCurrentProcess(), NULL, NULL);
return TRUE;
}

结论
本文描述了截取系统函数调用的一种通用方法，同时还提供了 trampoline 函数，从而保留了原始功能。本文仅对方法进行简要描述，并未对完整的软件包作出说明，因此如下一些细节并没有实现：


1.自动检测包含目标 API 的模块。


2.自动检测 trampoline 函数的偏移量。


3.删除代换函数，并注入 DLL。（到目前为止，清空代换函数的唯一方法是关闭应用程序。）


然而，对于开发人员而言，无需依赖第三方软件包，执行截取任意系统函数调用的软件，本文中涉及的技术、说明及源代码已经足够。

作者介绍

Seung-Woo Kim 拥有明尼苏达大学的计算机科学博士学位，目前为英特尔公司的高级应用工程师。他致力于技术与商业软件的性能优化。可通过此电子邮件地址与他取得联系。
截取系统 API 调用
附录:
#include "stdafx.h"
#include "Inject.h"
#include <tchar.h>
#include <malloc.h> // For alloca
#include <pi.h>
#ifdef UNICODE
#define InjectLib InjectLibW
#else
#define InjectLib InjectLibA
#endif // !UNICODE
BOOL AdjustDacl(HANDLE h, DWORD DesiredAccess)
{
// the WORLD Sid is trivial to form programmatically (S-1-1-0)
SID world = { SID_REVISION, 1, SECURITY_WORLD_SID_AUTHORITY, 0 };

EXPLICIT_ACCESS ea =
{
DesiredAccess,
SET_ACCESS,
NO_INHERITANCE,
{
0, NO_MULTIPLE_TRUSTEE,
TRUSTEE_IS_SID,
TRUSTEE_IS_USER,
reinterpret_cast<LPTSTR>(&world)
}
};
ACL* pdacl = 0;
DWORD err = SetEntriesInAcl(1, &ea, 0, &pdacl);
if (err == ERROR_SUCCESS)
{
err = SetSecurityInfo(h, SE_KERNEL_OBJECT, DACL_SECURITY_INFORMATION, 0, 0, pdacl, 0);
LocalFree(pdacl);
return(err == ERROR_SUCCESS);
}
else
return(FALSE);
}
// Useful helper function for enabling a single privilege
BOOL EnableTokenPrivilege(HANDLE htok, LPCTSTR szPrivilege, TOKEN_PRIVILEGES& tpOld)
{
TOKEN_PRIVILEGES tp;
tp.PrivilegeCount = 1;
tp.Privileges[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;
if (LookupPrivilegeValue(0, szPrivilege, &tp.Privileges[0].Luid))
{
// htok must have been opened with the following permissions:
// TOKEN_QUERY (to get the old priv setting)
// TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES (to adjust the priv)
DWORD cbOld = sizeof tpOld;
if (AdjustTokenPrivileges(htok, FALSE, &tp, cbOld, &tpOld, &cbOld))
// Note that AdjustTokenPrivileges may succeed, and yet
// some privileges weren't actually adjusted.
// You've got to check GetLastError() to be sure!
return(ERROR_NOT_ALL_ASSIGNED != GetLastError());
else
return(FALSE);
}
else
return(FALSE);
}

// Corresponding restoration helper function
BOOL RestoreTokenPrivilege(HANDLE htok, const TOKEN_PRIVILEGES& tpOld)
{
return(AdjustTokenPrivileges(htok, FALSE, const_cast<TOKEN_PRIVILEGES*>(&tpOld), 0, 0, 0));
}
HANDLE GetProcessHandleWithEnoughRights(DWORD PID, DWORD AccessRights)
{
HANDLE hProcess = ::OpenProcess(AccessRights, FALSE, PID);
if (hProcess == NULL)
{
HANDLE hpWriteDAC = OpenProcess(WRITE_DAC, FALSE, PID);
if (hpWriteDAC == NULL)
{
// hmm, we don't have permissions to modify the DACL...
// time to take ownership...
HANDLE htok;
if (!OpenProcessToken(GetCurrentProcess(), TOKEN_QUERY | TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES, &htok))
return(FALSE);

TOKEN_PRIVILEGES tpOld;
if (EnableTokenPrivilege(htok, SE_TAKE_OWNERSHIP_NAME, tpOld))
{
// SeTakeOwnershipPrivilege allows us to open objects with
// WRITE_OWNER, but that's about it, so we'll update the owner,
// and dup the handle so we can get WRITE_DAC permissions.
HANDLE hpWriteOwner = OpenProcess(WRITE_OWNER, FALSE, PID);
if (hpWriteOwner != NULL)
{
BYTE buf[512]; // this should always be big enough
DWORD cb = sizeof buf;
if (GetTokenInformation(htok, TokenUser, buf, cb, &cb))
{
DWORD err =
SetSecurityInfo(
hpWriteOwner,
SE_KERNEL_OBJECT,
OWNER_SECURITY_INFORMATION,
reinterpret_cast<TOKEN_USER*>(buf)->User.Sid,
0, 0, 0
);
if (err == ERROR_SUCCESS)
{
// now that we're the owner, we've implicitly got WRITE_DAC
// permissions, so ask the system to reevaluate our request,
// giving us a handle with WRITE_DAC permissions
if (
!DuplicateHandle(
GetCurrentProcess(),
hpWriteOwner,
GetCurrentProcess(),
&hpWriteDAC,
WRITE_DAC, FALSE, 0
)
)
hpWriteDAC = NULL;
}
}

// don't forget to close handle
::CloseHandle(hpWriteOwner);
}

// not truly necessary in this app,
// but included for completeness
RestoreTokenPrivilege(htok, tpOld);
}

// don't forget to close the token handle
::CloseHandle(htok);
}

if (hpWriteDAC)
{
// we've now got a handle that allows us WRITE_DAC permission
AdjustDacl(hpWriteDAC, AccessRights);

// now that we've granted ourselves permission to access
// the process, ask the system to reevaluate our request,
// giving us a handle with right permissions
if (
!DuplicateHandle(
GetCurrentProcess(),
hpWriteDAC,
GetCurrentProcess(),
&hProcess,
AccessRights,
FALSE,
0
)
)
hProcess = NULL;

CloseHandle(hpWriteDAC);
}
}

return(hProcess);
}
BOOL WINAPI InjectLibW(DWORD dwProcessId, PCWSTR pszLibFile)
{
BOOL fOk = FALSE; // Assume that the function fails
HANDLE hProcess = NULL, hThread = NULL;
PWSTR pszLibFileRemote = NULL;

// Get a handle for the target process.
hProcess =
GetProcessHandleWithEnoughRights(
dwProcessId,
PROCESS_QUERY_INFORMATION | // Required by Alpha
PROCESS_CREATE_THREAD | // For CreateRemoteThread
PROCESS_VM_OPERATION | // For VirtualAllocEx/VirtualFreeEx
PROCESS_VM_WRITE // For WriteProcessMemory
);
if (hProcess == NULL)
return(FALSE);

// Calculate the number of bytes needed for the DLL's pathname
int cch = 1 + lstrlenW(pszLibFile);
int cb = cch * sizeof(WCHAR);

// Allocate space in the remote process for the pathname
pszLibFileRemote =
(PWSTR) VirtualAllocEx(hProcess, NULL, cb, MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);

if (pszLibFileRemote != NULL)
{
// Copy the DLL's pathname to the remote process's address space
if (WriteProcessMemory(hProcess, pszLibFileRemote,
(PVOID) pszLibFile, cb, NULL))
{
// Get the real address of LoadLibraryW in Kernel32.dll
PTHREAD_START_ROUTINE pfnThreadRtn = (PTHREAD_START_ROUTINE)
GetProcAddress(GetModuleHandle(TEXT("Kernel32")), "LoadLibraryW");
if (pfnThreadRtn != NULL)
{
// Create a remote thread that calls LoadLibraryW(DLLPathname)
hThread = CreateRemoteThread(hProcess, NULL, 0,
pfnThreadRtn, pszLibFileRemote, 0, NULL);
if (hThread != NULL)
{
// Wait for the remote thread to terminate
WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);

fOk = TRUE; // Everything executed successfully

CloseHandle(hThread);
}
}
}
// Free the remote memory that contained the DLL's pathname
VirtualFreeEx(hProcess, pszLibFileRemote, 0, MEM_RELEASE);
}

CloseHandle(hProcess);

return(fOk);
}

BOOL WINAPI InjectLibA(DWORD dwProcessId, PCSTR pszLibFile) {

// Allocate a (stack) buffer for the Unicode version of the pathname
PWSTR pszLibFileW = (PWSTR)
_alloca((lstrlenA(pszLibFile) + 1) * sizeof(WCHAR));

// Convert the ANSI pathname to its Unicode equivalent
wsprintfW(pszLibFileW, L"%S", pszLibFile);

// Call the Unicode version of the function to actually do the work.
return(InjectLibW(dwProcessId, pszLibFileW));
}