用VC开发Win2000/XP下的防火墙

介绍

　　如果你决定开发LINUX下的防火墙，你会找到很多免费的信息与源代码。但如果开发WINDOWS平台下的防火墙会有点困难，找到相关信息与代码都简直是不可能的任务。

　　因此我决定写这篇文章介绍在WINDOWS 2000/XP下开发防火墙的简单方法。

　　背景

　　在WINDOWS 2000 DDK中，微软包含了称为Filter-Hook Driver的新型网络驱动。你可以使用它来过滤所有进出接口的数据。

　　因为关于此的文档很少并没有代码，我把使用它的成功方法写入文章，希望帮助你理解这种简单的方法。
　Filter-Hook 驱动

　　像我刚才所说的，在Microsoft Windows 2000 DDK中介绍了Filter-Hook Driver, 事实上，它不是一种新的网络驱动，它只是扩展了IP过滤驱动(IP Filter Driver)的功能。

　　实际上，Filter-Hook Driver并不是网络驱动，它是一种内核模式驱动(Kernel Mode Driver). 大致上是这样的：在Filter-Hook Driver中我们提供回调函数(callback)，然后使用IP Filter Driver注册回调函数。这样当数据包发送和接收时，IP Filter Driver会调用回调函数。那么我们到底该如何实现这些步骤呢？总结如下：

　　1) 建立Filter-Hook Driver.我们必须建立内核模式驱动，你可以选择名称，DOS名称和其它驱动特性，这些不是必须的，但我建议使用描述名称。

　　2) 如果我们要安装过滤函数，首先我们必须得到指向IP Filter Driver的指针，这是第二步。

　　3) 我们已经取得了指针，现在我们可以通过发送特殊的IRP来安装过滤函数，该"消息"传递的数据包含了过滤函数的指针。

　　4) 过滤数据包!!!

　　5) 当我们想结束过滤，我们必须撤销过滤函数。这通过传递null指针作为过滤函数指针来实现。

　　哦，只有五个步骤，这看起来非常容易，但...如何生成内核模式驱动？如何得到IP Filter Driver指针，如何..... 是的，请稍等，我现在将解释这些步骤并提供源代码:P

　　创建内核模式驱动(Kernel Mode Driver)

　　Filter-Hook Driver属于内核模式驱动,因此我们要创建内核模式驱动。这篇文章不是“如何仅用5分钟开发内核模式驱动” 这样的指南，因此我假设读者已经有了关于此的相关知识。

　　Filter-Hook Driver结构是典型的内核模式驱动的结构：

　　1) 一个创建设备的驱动程序入口，为通讯创建符号连接和处理IRPs(分派，加载，卸载，创建...)的标准例程。

　　2)在标准例程里管理IRPs.在开始编码前，我建议先思考一下哪些IOCTL你需要从设备驱动中暴露给应用程序。 在我的例子中，我实现了四个IOCTL代码：START_IP_HOOK(注册过滤函数),STOP_IP_HOOK(注销过滤函数), ADD_FILTER(安装新的过滤规则),CLEAR_FILTER(清除所有规则).

　　3)对于我们的驱动，我们必须实现多个用于过滤的函数。

　　我推荐你使用工具程序来产生内核驱动基本框架，这样你只需往里添加代码。例如，我在工程中使用的是QuickSYS。

　　下面是驱动结构的实现代码：

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath) { //.... dprintf("DrvFltIp.SYS: entering DriverEntry\n"); //我们必须创建设备 RtlInitUnicodeString(&deviceNameUnicodeString, NT_DEVICE_NAME); ntStatus = IoCreateDevice(DriverObject, 0, &deviceNameUnicodeString, FILE_DEVICE_DRVFLTIP, 0, FALSE, &deviceObject); if ( NT_SUCCESS(ntStatus) ) { // 创建符号连接使win32应用程序可以处理驱动与设备 RtlInitUnicodeString(&deviceLinkUnicodeString, DOS_DEVICE_NAME); ntStatus = IoCreateSymbolicLink(&deviceLinkUnicodeString, &deviceNameUnicodeString); //.... // 创建用于控制、创建、关闭的dispatch指针 DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = DrvDispatch; DriverObject->DriverUnload = DrvUnload; } if ( !NT_SUCCESS(ntStatus) ) { dprintf("Error in initialization. Unloading..."); DrvUnload(DriverObject); } return ntStatus; } NTSTATUS DrvDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp) { // .... switch (irpStack->MajorFunction) { case IRP_MJ_CREATE: dprintf("DrvFltIp.SYS: IRP_MJ_CREATE\n"); break; case IRP_MJ_CLOSE: dprintf("DrvFltIp.SYS: IRP_MJ_CLOSE\n"); break; case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL: dprintf("DrvFltIp.SYS: IRP_MJ_DEVICE_CONTROL\n"); ioControlCode = irpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode; switch (ioControlCode) { // 启动过滤的ioctl代码 case START_IP_HOOK: { SetFilterFunction(cbFilterFunction); break; } // 关闭过滤的ioctl case STOP_IP_HOOK: { SetFilterFunction(NULL); break; } // 添加过滤规则的ioctl case ADD_FILTER: { if(inputBufferLength == sizeof(IPFilter)) { IPFilter *nf; nf = (IPFilter *)ioBuffer; AddFilterToList(nf); } break; } // 释放过滤规则列表的ioctl case CLEAR_FILTER: { ClearFilterList(); break; } default: Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER; dprintf("DrvFltIp.SYS: unknown IRP_MJ_DEVICE_CONTROL\n"); break; } break; } ntStatus = Irp->IoStatus.Status; IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT); // 我们不会有未决的操作，所以总是返回状态码 return ntStatus; } VOID DrvUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject) { UNICODE_STRING deviceLinkUnicodeString; dprintf("DrvFltIp.SYS: Unloading\n"); SetFilterFunction(NULL); // 释放所有资源 ClearFilterList(); // 删除符号连接 RtlInitUnicodeString(&deviceLinkUnicodeString, DOS_DEVICE_NAME); IoDeleteSymbolicLink(&deviceLinkUnicodeString); // 删除设备对象 IoDeleteDevice(DriverObject->DeviceObject); }

　　我们已经编写了驱动的主代码，下面我们继续实现Filter-Hook Driver

　　注册过滤函数

　　在上面的代码中，你已经看到了SetFilterFunction(..)函数。我在IP Filter Driver中执行这个函数来注册过滤函数，步骤如下：

　　1) 首先，我们必须得到IP Filter Driver的指针，这要求驱动已经安装并执行。为了保证IP Filter Driver已经安装并执行，在我的用户程序中，在加载本驱动前加载并启动IP Filter Driver。

　　2) 第二步，我们必须建立用IOCTL_PF_SET_EXTENSION_POINTER作为控制代码的IRP。我们必须传递PF_SET_EXTENSION_HOOK_INFO 参数，该参数结构中包含了指向过滤函数的指针。如果你要卸载该函数，你必须在同样的步骤里传递NULL作为过滤函数指针。

　　3) 向设备驱动发送创建IRP, 这里有一个大的问题，只有一个过滤函数可以安装，因此如果另外的应用程序已经安装了一个过滤函数，你就不能再安装了。

　　设置过滤函数的代码如下：

NTSTATUS SetFilterFunction (PacketFilterExtensionPtr filterFunction) { NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS, waitStatus=STATUS_SUCCESS; UNICODE_STRING filterName; PDEVICE_OBJECT ipDeviceObject=NULL; PFILE_OBJECT ipFileObject=NULL; PF_SET_EXTENSION_HOOK_INFO filterData; KEVENT event; IO_STATUS_BLOCK ioStatus; PIRP irp; dprintf("Getting pointer to IpFilterDriver\n"); //首先我们要得到IpFilterDriver Device的指针 RtlInitUnicodeString(&filterName, DD_IPFLTRDRVR_DEVICE_NAME); status = IoGetDeviceObjectPointer(&filterName,STANDARD_RIGHTS_ALL, &ipFileObject, &ipDeviceObject); if(NT_SUCCESS(status)) { //用过滤函数作为参数初始化PF_SET_EXTENSION_HOOK_INFO结构 filterData.ExtensionPointer = filterFunction; //我们需要初始化事件，用于在完成工作后通知我们 KeInitializeEvent(&event, NotificationEvent, FALSE); //创建用于设立过滤函数的IRP irp = IoBuildDeviceIoControlRequest(IOCTL_PF_SET_EXTENSION_POINTER, ipDeviceObject, if(irp != NULL) { // 发送 IRP status = IoCallDriver(ipDeviceObject, irp); // 然后我们等待IpFilter Driver的回应 if (status == STATUS_PENDING) { waitStatus = KeWaitForSingleObject(&event, Executive, KernelMode, FALSE, NULL); if (waitStatus != STATUS_SUCCESS ) dprintf("Error waiting for IpFilterDriver response."); } status = ioStatus.Status; if(!NT_SUCCESS(status)) dprintf("Error, IO error with ipFilterDriver\n"); } else { //如果不能分配空间，返回相应的错误代码 status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES; dprintf("Error building IpFilterDriver IRP\n"); } if(ipFileObject != NULL) ObDereferenceObject(ipFileObject); ipFileObject = NULL; ipDeviceObject = NULL; } else dprintf("Error while getting the pointer\n"); return status; }

　　当我们已经完成了建立过滤函数的工作，当取得设备驱动的指针后必须释放文件对象。我使用事件来通知IpFilter Driver 已经完成了IRP处理。

　　过滤函数

　　我们已经知道了如何开发驱动并安装过滤函数，但还不知道该过滤函数中的任何东西。当主机接收或发送一个数据包，该过滤函数总会被调用，系统会根据函数的返回值决定如何处理这个数据包。

　　函数的原型是这样的：

typedef PF_FORWARD_ACTION (*PacketFilterExtensionPtr)( // Ip数据包的包头 IN unsigned char *PacketHeader, // 不包括头的数据包 IN unsigned char *Packet, // 包长度。不包括IP头的长度 IN unsigned int PacketLength, // 接收数据的接口适配器编号 IN unsigned int RecvInterfaceIndex, // 发送数据的接口适配器编号 IN unsigned int SendInterfaceIndex, //接收数据包的适配器IP地址 IN IPAddr RecvLinkNextHop, //发送数据包的适配器IP地址 IN IPAddr SendLinkNextHop );

　　PF_FORWARD_ACTION 是枚举类型，可能的值有：

　　PF_FORWARD 指示IP filter Driver立即向IP栈传递数据。对于本地数据包，IP向上送入栈。如果目标是另外的机器并且允许路由，将通过IP路由发送。

　　PF_DROP 指示IP filter Driver丢弃IP包。

　　PF_PASS 指示IP filter Driver去过滤该数据包，IP filter Driver如果处理该数据包取决于******滤API的设置。过滤钩子返回pass的回应，表明它没有处理该数据包而让IP filter Driver去过滤该数据包。

　　虽然DDK文档只包含了这三个值，如果你查看pfhook.h(Filter-Hook Driver需要的头文件)你可以发现还有一个PF_ICMP_ON_DROP，我猜这个值是用于对ICMP包进行丢弃。

　　在过滤函数的定义中，传递进来指向数据包头的指针。因此，你可以修改数据头然后发送。这对于进行NAT转换是非常有用的，你可以修改数据包的目标地址，选择IP路由。

　　在我的实现里，过滤函数根据用户程序的要求将每个包与规则列表进行比较，这个列表是连接列表，是在运行期间用START_IP_HOOK 的IOCTL创建的。在代码里可以看到这些。

　　源代码

　　在第一个版本中我只包含了简单的示例，由于许多朋友要求我帮他们开发实际应用，我完善了这个例子。新的示例是数据包的过滤程序，在这个新程序里你可以像商业防火墙一样添加你的过滤规则。

　　第一个版本中，应用程序由两部分组成：

　　(一)用户应用程序：这是管理过滤规则的MFC应用程序。程序发送规则给驱动并决定何时启动过滤，有三个步骤：

　　1) 定义所需的规则。可以通过添加、删除定制规则。

　　2) 安装规则。定义好规则后，点install按钮将他们发送给驱动

　　3) 启动过滤。你可以单击start按钮启动过滤

　　(二)Filter-Hook Driver: 根据从用户应用程序中接收到的过滤规则对数据包进行过滤。 Filter-Hook Driver必须与用户应用程序在相同的目录中。

　　为什么使用该方法开发防火墙

　　在Windows中这不是开发防火墙的唯一方法，其它的有诸如 NDIS防火墙，TDI防火墙，Winsock分层防火墙，******滤API，...因此我将说明Filter-Hook Driver的优缺点使你在以后开发防火墙时决定是否采用这种驱动。

　　1) 这种方法所拥有的弹性可以使你过滤所有IP层（或以上）的通讯。但你不能过滤更低层的头部数据，例如：你不能过滤以太帧数据。你需要用NDIS过滤器来做，虽然开发困难但弹性更大。

　　2) 这是一种简单的方法。安装防火墙和执行过滤功能非常简单。但******滤API(Packet Filtering API)更加容易使用，尽管它缺少弹性，例如你不能处理包的内容，你不能用******滤API修改内容。

　　结论：

　　Filter-Hook Driver不是最好但也不坏。但为什么商业产品中并不使用它呢？

　　答案是简单的：尽管这种驱动并不糟糕但却有巨大的缺点：像我刚才所说的，每次只能有一个过滤函数可以安装。我们开发了强大的防火墙，它可以被成千上万个用户下载，如果其它应用程序已经使用了过滤器（安装了过滤函数）那么我们的程序将不会正常工作。

　　这种方法的另外一个缺点是不被微软官方明文支持。虽然DDK文档上说你可以在过滤函数中处理包的内容， 但事实并非如此。你可以在接收数据包的时候处理包的内容，但在发送包的时候你仅能读IP、TCP、UDP或ICMP数据包头。我不知道这是为什么....

　　微软介绍在Windows XP中另外一种驱动没有这样的限制，那就是firewall hook driver。但微软不推荐使用它，因为"it ran too high in the network stack"。或许这种驱动在以后的WINDOWS版本中会消失。