Interested Article - Перехват (программирование)

Перехват ( англ. hooking ) — технология, позволяющая изменить стандартное поведение тех или иных компонентов информационной системы.

Назначение технологии перехвата

Очень часто в системном программировании возникает задача изменения стандартного поведения системных функций. Например довольно интересным применением данной технологии является переопределение у GUI приложений Windows ( сабклассинг ). Это нужно, если программист хочет организовать собственную обработку какого-либо оконного сообщения и только потом передать стандартной оконной процедуре. После сабклассинга цикл обработки сообщений будет выглядеть так:

До сабклассинга : [Сообщение Windows] -> [Окно (оконная процедура)]

После : [Сообщение Windows] -> [Наша оконная процедура] -> [Окно (оконная процедура)]

Например, в уроках Iczelion’а описан пример того, как сабклассинг может использоваться для организации контроля ввода в элементы управления. Технологии перехвата нужны не только в этом случае, но и, например, для предварительной обработки результатов системных функций поиска файлов FindFirst и FindNext, EnumProcess, которая перечисляет процессы в Windows и т. д. Причем в этих целях такие технологии применяют как антивирусные средства , так и различного рода вирусы , руткиты и прочие виды вредоносного программного обеспечения.

Очень часто перехват бывает важен для организации отладки программ и является одной из основных технологий, применяемых в отладчиках. В данном случае эта технология позволяет одной программе контролировать выполнение другой. Для этих целей предусмотрен системный вызов , который позволяет подключаться к процессам, отслеживать значения регистров у контекста отлаживаемого процесса и в том числе контролировать другие системные вызовы. Он является основой для реализации такой возможности отладчиков как точки останова . Данный системный вызов хорошо документирован и присутствует во всех главных *nix системах: Linux , FreeBSD , Solaris . Чаще всего используется совместно с системным вызовом fork , который и вызывает , указывая в параметрах вызова, что запускаемый процесс — дочерний. Microsoft Windows также предоставляет для похожих целей т. н. .

Виды перехвата системных функций

Основными методами перехвата являются:

Подмена адреса настоящей функции ( модификация IAT таблиц , модификация / IDT таблиц)
Непосредственное изменение функции (сплайсинг, перехват в режиме ядра с модификацией тела функции)
Непосредственная подмена всего компонента приложения/системы (например библиотеки с целевой функцией)

Методы можно также разделить по критерию режима выполнения:

Пользовательские ( ring3 ) методы: модификация IAT таблиц, сплайсинг. Их особенность в том, что невозможно что-либо изменить в поведении ядра операционной системы и его расширений.
Режима ядра: модификация SSDT/IDT таблиц, перехват в режиме ядра с модификацией тела функции. Позволяет модифицировать структуры данных и код любой части операционной системы и приложений.

Сплайсинг

Сплайсинг ( англиц. от «сращивание; склеивание») — метод перехвата API функций путём изменения кода целевой функции. Обычно изменяются первые 5 байт функции. Вместо них вставляется переход на функцию, которую определяет программист. Чтобы обеспечить корректность выполнения операции, приложение, которое перехватывает функцию, обязано дать возможность выполниться коду, который был изменён в результате сплайсинга. Для этого приложение сохраняет заменяемый участок памяти у себя, а после отработки функции перехвата восстанавливает изменённый участок функции и дает полностью выполниться настоящей функции.

Hot-patch point

Все функции стандартных DLL Windows поддерживают hot-patch point. При использовании этой технологии перед началом функции располагаются пять неиспользуемых однобайтовых операций nop , сама же функция начинается с двухбайтовой инструкции mov edi, edi . Места, занимаемого пятью nop , достаточно, чтобы разместить команду перехода на функцию-перехватчик. Два байта, занимаемых mov edi, edi , предоставляют достаточно места для команды перехода на код, размещенный на месте пяти nop . При этом, так как инструкция mov edi, edi не выполняет никаких осмысленных действий, её затирание никак не влияет на работоспособность исходной функции. Таким образом программист освобождается от необходимости где-либо сохранять исходное значение изменённого им кода .

Сферы применения сплайсинга и методы обнаружения

Он применяется:

В ПО, которому необходимо осуществлять функции мониторинга системы
Механизмом хуков в Windows
Различного рода вредоносными программами. Это основная технология сокрытия для руткитов пользовательского уровня

Основной метод обнаружения факта сплайсинга — это сравнение машинного кода функции, проверяемой на сплайсинг, и кода системной функции, полученного в заведомо чистой системе. Также в обнаружении сплайсинга функции может помочь контроль адресов перехода.

Сравнение с другими технологиями

Изменение IAT таблиц процесса . Данная технология не позволяет изменить поведение самой системной функции, а лишь дает возможность «обмануть» выбранное приложение, заставив его использовать вашу функцию. IAT таблица — таблица адресов функций, импортируемых процессом. Технология носит лишь локальный характер, хотя может быть применена сразу к группе приложений. Может быть довольно быстро обнаружена из-за необходимости загрузки DLL в адресное пространство целевого процесса. Сплайсинг же не требует DLL и внедрения в чужой процесс, обладает возможностью глобального захвата функции. У сплайсинга есть ещё одно преимущество: не все системные функции импортируются процессом через IAT. Например, функция может быть загружена вызовом GetProcAddress. Использование же непосредственной модификации кода функции снимает подобное ограничение.
Перехват в режиме ядра . Позволяет перехватывать любые функции, в том числе и экспортируемые ядром. Наиболее труден для обнаружения в случае успеха, так как позволяет фальсифицировать любые данные, предоставляемые операционной системой. Требует написания специального компонента для взаимодействия с ядром драйвера. Может привести к BSOD при неправильном программировании в режиме ядра. Может быть обнаружен на фазе загрузки драйвера в ядро или при проверке активных драйверов, а также при проверке ядра на изменения . Более трудный в программировании метод, чем сплайсинг, но более гибкий, так как позволяет перехватить функции самого ядра, а не только WinAPI функции, которые служат лишь посредником между ядром и программой, которая что-либо запрашивает у операционной системы.
Замена самой библиотеки с функцией . Весьма радикальное решение проблемы, обладающее рядом существенных недостатков:

Требует замены файла на диске, что может быть запрещено и пресечено самой системой. Например, замену системных файлов Windows не позволит выполнить защита файлов Windows (WFP) , хотя её можно и отключить. Такое действие может быть также обнаружено при статическом анализе системы ревизорами.
Требуется полная эмуляция всех возможностей заменяемой DLL или иного компонента, что весьма трудоемко даже в случае открытости и осложняется необходимостью дизассемблирования в случае закрытости целевой программы.

Все это показывает, что это весьма нерациональный способ решения проблемы изменения поведения программы в случае возможности применения первых двух подходов или сплайсинга.

Перехват в режиме ядра

Он основан на модификации структур данных ядра и функций. Главными мишенями воздействия являются таблицы

IDT Таблица диспетчеризации прерываний. Довольно важным для перехвата является прерывание, обрабатывающее обращение к таблице служб SSDT (0x2E) .
(System Service Descriptor Table) Таблица диспетчеризации системных сервисов. Обращаясь к ней, система по номеру запрошенного сервиса может получить адрес соответствующего сервиса ядра и вызвать его. А таблица SSPT содержит общий размер параметров, передаваемых системному сервису.
psActiveprocess Структура ядра, хранящая список процессов в системе.
IRP Таблица драйвера, которая хранит указатели на функции обработки IRP-пакетов.
Структура ядра, хранящая большое количество информации о процессе, включая, например, PID (идентификатор процесса).

Такого рода руткиты называются DKOM-руткитами, то есть руткитами, основанными на непосредственной модификации объектов ядра. В руткитах для систем Windows Server 2003 и XP эта технология была модернизирована, так как в этих ОС появилась защита от записи некоторых областей памяти ядра . Windows Vista и 7 получили дополнительную защиту ядра , однако все эти технологии были преодолены руткитописателями . В то же время перехват системных функций в режиме ядра — основа проактивных систем защиты и гипервизоров .

Иные формы перехвата

Можно выделить и другие формы перехвата:

Перехват сетевых соединений и пакетов.
Перехват паролей. Например, при помощи шпионажа за клавиатурным вводом при помощи кейлоггера .
Перехват обращений браузера к сайтам при помощи HTTP Proxy или расширений браузера. Позволяет проанализировать и/или подменить данные, которыми обмениваются браузер и сервер.

Здесь описана лишь часть применений данной технологии.

Примеры программ, использующих перехват

Гипервизор XEN
Утилиты Марка Руссиновича FileMon , RegMon , Process Explorer
Руткит

Примеры кода

Перехват клавиатурных событий Microsoft Windows на С# с использованием Microsoft .NET Framework

using System;
using System.Collections;
using System.Diagnostics;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace Hooks
{
	public class KeyHook
	{
		#region Member variables
		protected static int hook;
		protected static LowLevelKeyboardDelegate dele;
		protected static readonly object Lock = new object();
		protected static bool isRegistered = false;
		#endregion
		
		#region Dll Imports
		[DllImport("user32")] 
		private static extern Int32 SetWindowsHookEx(Int32 idHook,  LowLevelKeyboardDelegate lpfn, 
			Int32 hmod, Int32 dwThreadId); 
         
		[DllImport("user32")]         
		private static extern Int32 CallNextHookEx(Int32 hHook, Int32 nCode, Int32 wParam, KBDLLHOOKSTRUCT lParam);

		[DllImport("user32")] 
		private static extern Int32 UnhookWindowsHookEx(Int32 hHook); 
		#endregion
		
		#region  Type Definitions & Constants
		protected delegate Int32 LowLevelKeyboardDelegate(Int32 nCode, Int32 wParam, ref KBDLLHOOKSTRUCT lParam); 
		private const Int32 HC_ACTION = 0; 
		private const Int32 WM_KEYDOWN = 0x0100;
		private const Int32 WM_KEYUP = 0x0101;
		private const Int32 WH_KEYBOARD_LL = 13;
 		#endregion
         
		[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
		public struct KBDLLHOOKSTRUCT 
		{ 
			public int vkCode; 
			public int scanCode; 
			public int flags; 
			public int time; 
			public int dwExtraInfo; 
		} 
		

		static private Int32 LowLevelKeyboardHandler(Int32 nCode, Int32 wParam, ref KBDLLHOOKSTRUCT lParam) 
		{ 
	
			if (nCode == HC_ACTION) 
			{
				if (wParam == WM_KEYDOWN)
					System.Console.Out.WriteLine("Key Down: " + lParam.vkCode);
				else if (wParam == WM_KEYUP)
					System.Console.Out.WriteLine("Key Up: " + lParam.vkCode);
			}
			return CallNextHookEx(0, nCode, wParam, lParam); 
		} 
		
		
		public static bool RegisterHook()
		{	
			lock(Lock)
			{
				if(isRegistered)
					return true;
				dele = new LowLevelKeyboardDelegate(LowLevelKeyboardHandler);
				hook = SetWindowsHookEx(
					WH_KEYBOARD_LL, dele, 
					Marshal.GetHINSTANCE(
						System.Reflection.Assembly.GetExecutingAssembly().GetModules()[0]
					).ToInt32(),0
				); 
			
				if(hook != 0)
					return isRegistered = true;
				else
				{
					dele= null;
					return  false;
				}
			}
		}

		public static bool UnregisterHook()
		{
			lock(Lock)
			{
				return isRegistered = (UnhookWindowsHookEx(hook) != 0);
			}
		}

	}
}

Netfilter hook

Этот пример показывает, как используются хуки для контроля сетевого трафика в ядре Linux при помощи Netfilter .

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/skbuff.h>

#include <linux/ip.h>
#include <linux/tcp.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/netfilter.h>
#include <linux/netfilter_ipv4.h>

/* Port we want to drop packets on */
static const uint16_t port = 25;

/* This is the hook function itself */
static unsigned int hook_func(unsigned int hooknum,
                       struct sk_buff **pskb,
                       const struct net_device *in,
                       const struct net_device *out,
                       int (*okfn)(struct sk_buff *))
{
        struct iphdr *iph = ip_hdr(*pskb);
        struct tcphdr *tcph, tcpbuf;

        if (iph->protocol != IPPROTO_TCP)
                return NF_ACCEPT;

        tcph = skb_header_pointer(*pskb, ip_hdrlen(*pskb), sizeof(*tcph), &tcpbuf);
        if (tcph == NULL)
                return NF_ACCEPT;

        return (tcph->dest == port) ? NF_DROP : NF_ACCEPT;
}

/* Used to register our hook function */
static struct nf_hook_ops nfho = {
        .hook     = hook_func,
        .hooknum  = NF_IP_PRE_ROUTING,
        .pf       = NFPROTO_IPV4,
        .priority = NF_IP_PRI_FIRST,
};

static __init int my_init(void)
{
        return nf_register_hook(&nfho);
}

static __exit void my_exit(void)
{
    nf_unregister_hook(&nfho);
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

См. также

Примечания

К примеру: невозможно получить доступ к процессу Kaspersky Internet Security штатными средствами Windows API, так как соответствующие функции перехвачены антивирусом.
Страница из man Linux Ubuntu: от 21 января 2010 на Wayback Machine и русскоязычная версия: от 1 ноября 2014 на Wayback Machine
Официальное описание: от 30 мая 2014 на Wayback Machine , а также примеры использования: от 4 марта 2010 на Wayback Machine
(неопр.) . Дата обращения: 24 июля 2010. Архивировано из 23 декабря 2009 года.
(англ.) . Дата обращения: 11 января 2017. 13 января 2017 года.
Методы доступа и модификации IAT таблицы довольно подробно описаны у Хоглунд Г., Батлер Дж. — Руткиты: внедрение в ядро Windows. Гл 4 Древнее искусство захвата
Методы внедрения DLL в чужой процесс описаны довольно подробно у Дж. Рихтера Кристофера Назара Windows via C/C++. Программирование на языке Visual C++. Некоторые методы внедрения впервые документировал сам Дж. Рихтер
Например, один из первых руткит-детектеров от 25 июля 2010 на Wayback Machine
↑ Г. Хоглунд Дж. Батлер Руткиты внедрение в ядро Windows. Глава 4 Древнее искусство захвата
(неопр.) . Дата обращения: 26 июля 2010. 4 декабря 2010 года.
Например, этим занимаются снифферы. Одной из бесплатных реализаций захвата сетевых пакетов является сетевой драйвер уровня NDIS WinPCAP

Литература

Джеффри Рихтер . Программирование на языке Visual C++ = Windows via C/C++. — СПб. : Питер, 2010. — С. 689-728. — ISBN 978-5-7502-0367-3 .
Хогланд, Грег , Батлер Дж. Руткиты: внедрение в ядро Windows = Rootkits.Subverting the Windows kernel. — СПб. : Питер, 2010. — С. 36-58,77-129. — ISBN 978-5-469-01409-6 .