(转载)基于IMD的包过滤防火墙原理与实现

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基于IMD的包过滤防火墙原理与实现转自:http://www.xfocus.net
创建时间:2003-07-13
文章属性:原创
文章提交:xiaobai (xiaobai_at_openfind.com.cn)

基于IMD的包过滤防火墙原理与实现
xiaobai
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711网络安全小组  http://www.cpyy.net


一、前言
二、IMD中间层技术介绍
三、passthru例程分析
四、部分演示代码
五、驱动编译与安装
六. 总结



一、前言

    前段时间,在安全焦点上看到了TOo2y朋友写的《基于SPI的数据报过滤原理与实现》,很是不错。文章中提到的基于SPI的数据报拦截技术是在用户级的。用户级的拦截有其优势,实现方便、便于移植、通用性强,但是,用户级并不能得到所有的数据报。本文提到的基于IMD的数据报过滤则是属于内核级的,它建立在网络驱动上面。
    其实两个月前就想写这篇文章了,可惜这个技术是我一年前做的,好久不用,已经忘的差不多了,所以一直没有写。不过,近来正巧有个课题,牵扯到了中间层驱动。于是,重新拾起丢了有一年的DDK,啃了起来。这期间,真的要非常感谢linxder的帮忙,让我少走了一些弯路,否则,我真的要从头学起了。废话不多说了,切入正题。
    


二、中间层驱动技术介绍

    中间层驱动,英文为NDIS intermediate driver。

    1)内核级网络驱动介绍
        Microsoft Windows 2000支持三种基本的内核级网络驱动,这三层driver顺序从下到上依次为:
        1. Miniport NIC drivers:微端口网卡驱动,位于最底层,直接操纵网卡并且对高层驱动提供接口。
        2. Intermediate drivers:IMD中间层驱动,这就是今天的主角,位于1和3之间,具体的作用下面就会介绍。
        3. Protocol drivers:高层协议驱动,俗称为TDI(传输驱动程序接口),高于前面两层,直接面向用户级,
                     为用户提供网络服务,也就是绝大多数程序所用到的网络接口。

    
    2)IMD驱动            
    IMD中间层,它的实质很简单,最经典的描述莫过于下面的话:
    
    An intermediate driver is typically layered over one or more NDIS NIC drivers and under a transport driver (possibly multilayered) that supports TDI at its upper edge.
    An NDIS intermediate driver exports MiniportXxx functions at its upper edge and ProtocolXxx functions at its lower edge.(见DDK文档)
    
    中间层插入网卡和协议层之间,对上面的协议层表现为一个虚拟的微端口网卡结构,而对下面的网卡则表现为一个协议层的结构。所以,无论是网卡接收并上传的数据报,还是上层要下送至网卡发送的数据报,无一例外地要经过中间层。
    

    3)IMD包过滤技术
    前面我们已经看到,所有的数据报都要经过中间层,所以,我们可以在中间层加入我们想要过滤的数据报的特征,实现基于中间层驱动的内核级包过滤。
    
    这样做的优势非常明显,首先,在驱动级别上做过滤,无须组包,速度快,效率自然就高;其次,所有的数据报无一例外,只要网卡上传的数据报均可以截获,避免了用户级无法得到所有数据报的缺点。当然,世界上没有完美的事情。IMD包过滤技术也存在其不可避免的缺点,与操作系统版本关系密切,与硬件联系大,可移植性低。我在调试这个驱动的时候,就碰到了无数次蓝屏,无数次重启动,进了几次安全模式,甚至还为此重新安装了一次系统。
    
    正是由于上面的一些问题,现在市面上还没有见到有厂家推出基于IMD的实用型防火墙,大部分都是在实验室中的作品,或许真的是要做到通用性很难吧,不过还是希望能尽快见到这样的产品面世。
    
    
    
三、passthru代码分析
    
    到这里,你或许已经非常想看看到底怎么来实现基于IMD的包过滤防火墙了,不过,你肯定会迟疑,如果让我们自己写整个中间层驱动的话,是不是有些太艰难了啊?况且,我只是个搞网络安全的,我不是专门写驱动的,让我完成一个驱动程序,还要对上层协议伪装成一个网卡,对下层伪装成一个协议层,这不是要命么?
    
    呵呵,其实微软很不错的,在提出这项技术之后,其DDK中附带了一个中间层驱动的例程,就是passthru。passthru实现了一个中间层的基本功能,对下表现为一个协议层的驱动,对上表现为一个虚拟网卡,安装passthru驱动之后,你可以在硬件管理中的网卡中看到一个虚拟网卡。不过,passthru只是插入到网卡和上层协议中间,却未做任何工作,也就是说,passthru只是让所有的数据报原原本本地流经自己而已。我们要想实现中间层包过滤的功能,需要对passthru进行修改。
    
    想想我们要实现的包过滤的功能,我们只需要在中间层接收到数据报的时候进行规则判断就可以了,而在passthru中,接收数据报是用protocol.c文件中的PtReceive和PtReceivePacket这两个函数来实现的。根据微软的解释,微软建议接收包用PtReceivePacket函数,因为可以得到更高的效率,然而,为了向下兼容,也保留了PtReceive函数给老的网卡使用。所以,在一块网卡上,只可能有一个函数在工作,这要取决于你的网卡型号了。巧的是,我的两台机器的网卡应用的函数正巧不一样。同样是IBM的机器,一台P4 1.5G的机器的网卡是Realtek RTL8139(A) PCI Fast Ethernet Adapter,另外一台P4 2.0G的机器的网卡是Intel(R) PRO/100 VE Network Connection,其中Realtek网卡用的是PtReceive来接包,而Intel的网卡是用PtReceivePacket来接包。
    
    现在我们知道了哪个函数负责接收数据报,那么我们就可以对这个函数进行修改了。从兼容和通用性考虑,我们需要对PtReceive和PtReceivePacket函数进行修改,其中加上我们需要判断的规则进行过滤,下面就贴详细的代码了。
    
    
    
四、部分演示代码

    我们的目的是在调用接受数据报函数的时候能执行我们的过滤代码,所以,我们要在函数代码中添加我们自己的代码,下面用过滤特定协议类型的数据报来做演示。
    
    首先修改PtReceive,看一下protocol.c文件中函数的代码,代码中用NdisGetReceivedPacket函数得到一个PNDIS_PACKET的结构Packet,数据报内容就存放在这个结构中的链表内。我们定义一个PUCHAR结构的pPacketContent,然后用下面的代码获得整个数据报的内容:
    
        //---------------------------------------------------------
        int        PacketSize;
    PUCHAR        pPacketContent;
    PUCHAR        pBuf;
    UINT         BufLength;
    MDL    *     pNext;
    UINT         i;
    
    //把数据包内容从Packet拷贝到pPacketContent

    NdisQueryPacket( Packet,NULL,NULL,NULL,&PacketSize);
    
    Status= NdisAllocateMemory( &pPacketContent, 2000, 0,HighestAcceptableMax);
    if (Status!=NDIS_STATUS_SUCCESS ) return Status;
    NdisZeroMemory (pPacketContent, 2000);
    
    NdisQueryBufferSafe(Packet->Private.Head, &pBuf, &BufLength, 32 );
    NdisMoveMemory(pPacketContent, pBuf, BufLength);

    i = BufLength;
    pNext = Packet->Private.Head;
    
    for(;;)
    {
        if(pNext == Packet->Private.Tail)
            break;
            pNext = pNext->Next;   //指针后移
            if(pNext == NULL)
                break;

            NdisQueryBufferSafe(pNext,&pBuf,&BufLength,32);
            NdisMoveMemory(pPacketContent+i,pBuf,BufLength);
            i+=BufLength;
    }
    
    //数据拷贝完毕
    //---------------------------------------------------------
    
    
    现在,我们已经在PtReceive函数中得到了数据报的内容,存放在pPacketContent中,数据报的格式你可以去查书。通常,在以太网中,得到的数据报大致是如下结构,以太帧头14个字节,放在pPacketContent[0]到pPacketContent[13]中,其中前六个字节是目的MAC地址,然后六个字节源MAC地址,然后两个字节是协议类型,通常的协议类型有0x08 0x00 ->IP,0x08 0x06 ->ARP,0x08 0x35 ->RARP,所以,可以通过pPacketContent[12]和pPacketContent[13]来判断协议类型。如果是IP包,然后pPacketContent中存放的是IP头,根据IP头的格式,可以得到第23个字节pPacketContent[23]表示传输层协议:1 ->ICMP,2 ->IGMP,6 ->TCP,17 ->UDP,剩下的就是数据报内容了。因为我们只是做演示,所以只要知道这几个标志性的就好了,其他的你可以根据你的需要扩展。我们通过pPacketContent中的内容可以做些规则,比如过滤ICMP包,我们只要比较pPacketContent[12]和pPacketContent[13]还有pPacketContent[23]这三个标志位就可以了,如果不是ICMP包,那么不做任何工作,如果匹配了,那就返回一个NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED,将包丢弃,释放pPacketContent,就可以过滤ICMP包了,下面就是过滤规则的代码。
    
        //---------------------------------------------------------
        //规则标志位(1表示过滤,0表示放行,你可以通过改这个数值来配置规则)
    UINT        ICMP = 1;     //ICMP数据报规则
    UINT        IGMP = 0;    //IGMP数据报规则
    UINT        TCP = 0;    //TCP数据报规则
    UINT        UDP = 0;    //UDP数据报规则
    
        //规则判断
    if (ICMP == 1)
    {
        if(((char *)pPacketContent)[12] == 8 &&
            ((char *)pPacketContent)[13] == 0 &&
                ((char *)pPacketContent)[23] == 1)
        {
            DbgPrint("ICMP被拦截!\n");
            NdisFreeMemory(pPacketContent, 2000, 0);
            return NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED;
        }
    }
    
    if (IGMP == 1)
    {
        if(((char *)pPacketContent)[12] == 8 &&
            ((char *)pPacketContent)[13] == 0 &&
                ((char *)pPacketContent)[23] == 2)
        {
            DbgPrint("IGMP被拦截!\n");
            NdisFreeMemory(pPacketContent, 2000, 0);
            return NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED;
        }
    }
    
    if (TCP == 1)
    {
        if(((char *)pPacketContent)[12] == 8 &&
            ((char *)pPacketContent)[13] == 0 &&
                ((char *)pPacketContent)[23] == 6)
        {
            DbgPrint("TCP被拦截!\n");
            NdisFreeMemory(pPacketContent, 2000, 0);
            return NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED;
        }
    }
    
    if (UDP == 1)
    {
        if(((char *)pPacketContent)[12] == 8 &&
            ((char *)pPacketContent)[13] == 0 &&
                ((char *)pPacketContent)[23] == 17)
        {
            DbgPrint("UDP被拦截!\n");
            NdisFreeMemory(pPacketContent, 2000, 0);
            return NDIS_STATUS_NOT_ACCEPTED;
        }
    }

    //规则判断结束
    //---------------------------------------------------------        

    
    到这里,PtReceive函数已经修改完了,只要调用PtReceive函数接收数据报的时候,就可以执行我们的规则了,下面修改PtReceivePacket函数,其实上面的修改代码内容都是一样的,只不过PtReceivePacket函数跟PtReceive函数不太一样,PtReceivePacket直接在入口参数中就得到了PNDIS_PACKET的结构Packet,存放了数据报的所有内容,所以,直接将上面的代码粘到函数PtReceivePacket的代码中就可以了。到现在,无论是网卡调用哪一个接收函数,都可以执行我们需要的规则。
    
    其实,上面所定义的规则是很简单的,因为只作为演示用,而我的课题嘛,嘿嘿,就不是那么简单了。其实在pPacketContent已经得到了所有的数据报内容,我们可以随意扩展规则。比如,过滤指定IP、指定端口的数据报,至于具体应该设置哪个位置,你只要去找一本介绍数据报结构的书看一下就知道了,呵呵。
    
    
    
五、驱动编译与安装

    前面谈了那么多,其实都是在说IMD包过滤的实现和驱动代码,但是,我已经修改了代码,怎么编译和安装呢?
    
    这一部分就解决驱动编译和安装的问题。我们用passthru的代码,对接收数据报的部分做了修改。然后,我们用DDK自带的builder工具来编译。我一般是用开始菜单中DDK程序组中的Free Build Environment,到passthru目录下执行build -cz来编译passthru,得到passthru.sys文件,然后再到NTDDK\src\network\config\filter目录下,执行build -cz来得到sfilter.dll,然后再加上passthru目录下的netsf.inf和netsf_m.inf,一共四个文件。这样,驱动安装所需要的文件就全了。
    
    打开网络属性,添加服务,找到passthru目录下,安装,弹出没有数字签名的警告,不理,继续安装,最后,你会发现,网络属性中增加了一个名为Sample Filter的组件,同时,硬件管理器中的网卡下增加了一个Sample Filter Miniport的设备。如果你已经到了这里,并且系统没有出现蓝屏和死机,那么恭喜你,你已经成功地安装上了中间层驱动,并且已经发挥包过滤作用了。
    
    
    
六. 总结

    难得我写了那么多,现在做一个总结吧。上文中的代码,我只是用来做演示的,只用来说明基于IMD的包过滤防火墙原理与实现,其实需要做的工作还有很多,驱动上面碰到的问题会很多,并且常常伴随着的是蓝屏,死机,甚至要重装系统。
    
    你也许会问,那我每次改一下规则难道还要重新再安装一遍驱动么,况且,必须重启动一次,旧的驱动才彻底卸载掉,多麻烦啊。呵呵,其实是中间层驱动是可以跟应用层的程序结合的。首先你要在驱动中指定好规则,应用层的程序通过DeviceIoControl传递指令到驱动中,可以控制驱动的规则标志位。
    
    特别推荐驱动开发网(www.driverdevelop.com)论坛的ndis网络接口开发版,这里是国内水平最高的地方,所有的与驱动有关的问题你都可以在那里得到解决。
    
    最后,附带说一句,调试驱动的时候先做好处理系统后事的准备,对于出现的任何系统问题也好,硬盘问题也好,我不负任何责任,呵呵。
    
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