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：
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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。 |
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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。 |
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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：
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通过调用 OpenProcess 打开目标进程。 |
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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。 |
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通过调用 GetProcAddress(GetModuleHandle(TEXT("Kernel32")), "LoadLibraryW") 来获取 LoadLibrary 的地址；
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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。 |
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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：
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将区域覆盖的保护模式改为 VirtualProtect。否则，将发生非法访问错误。 |
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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：
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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与之前一样覆盖目标函数。 |
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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：
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自动检测包含目标 API 的模块。 |
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自动检测 trampoline 函数的偏移量。 |
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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。
附录
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#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- 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)); } |