windows 内核原理与实现读书笔记之LPC

LPC（本地过程调用）服务

本地过程调用(LPC,Local Procedure Call),主要用于操作系统各个组件之间进行通信，或者用户模式程序与系统组件之间通信。

LPC工作方式时消息传递，允许两个进程进行双向通信，在Windows的主要应用如下：

1. Windows 应用程序与系统进程，包括Windows环境子系统之间的通信。
2. 用户模式程序与内核模式组件之间的通信。
3. 当RPC(远程过程调用，Remote Procecure Call)的两端在同一个系统时，RPC通信转化位LPC通信。

1  LPC结构模型

LPC 通信模型，如图：

LPC允许一对多通信模型。LPC连接端口只接受连接请求，通信端口只接受数据请求和服务。

LPC进程双方建立连接后，可以给对方发送消息。每个端口对象都有一个消息队列，用来保存发送给端口对象的消息。LPC允许使用两种方法来传输数据：

1. 当最大消息长度不超过256字节时，要传输的数据之间在消息头后面。发送进程将数据拷贝到系统地址空间中，然后接收进程将数据拷贝到它的进程地址空间中。
2. 若最大消息长度超过256字节，那么客户在连接到端口对象时，可以指定一个内存区对象，并且在客户进程中映射一个视图，以用于向服务器发送大数据。服务器也可以指定一个内存区对象，用于向客户发送大数据。

Windows的LPC使用消息队列来保存发送给一个端口对象的消息，使用信号量对象来同步发送和接收操作。

LPC系统服务(适用于Windows 2000以后的版本)

2  LPC端口和LPC消息

typedef struct _LPCP_PORT_OBJECT
{
    struct _LPCP_PORT_OBJECT *ConnectionPort;
    struct _LPCP_PORT_OBJECT *ConnectedPort;
    LPCP_PORT_QUEUE MsgQueue;
    CLIENT_ID Creator;
    PVOID ClientSectionBase;
    PVOID ServerSectionBase;
    PVOID PortContext;
    PETHREAD ClientThread; //仅适用于服务器通信端口
    SECURITY_QUALITY_OF_SERVICE SecurityQos;
    SECURITY_CLIENT_CONTEXT StaticSecurity;
    LIST_ENTRY LpcReplyChainHead;//仅适用于通信端口
    LIST_ENTRY LpcDataInfoChainHead; //仅适用于通信端口
    union {
        PEPROCESS ServerProcess;// 仅适用于服务器连接端口对象
        PEPROCESS MappingProcess;//仅适用于通信端口
    };
    ULONG MaxMessageLength;
    ULONG MaxConnectionInfoLength;
    ULONG Flags;
    KEVENT WaitEvent;//仅适用于可等待的端口
} LPCP_PORT_OBJECT, *PLPCP_PORT_OBJECT;

ConnectionPort : 指向当前端口对象的连接对象，对于服务器通信端口或客户通信端口，指向相关联的连接端口对象；连接端口的ConnectionPort 指向其自身。
ConnectedPort: 指向通信的对方。
MsgQueue: 表示端口对象的消息队列。
Creator : 表示创建线程的ID。
ClientSectionBase: 指向客户内存区对象的视图基地址。
ServerSectionBase : 指向服务器内存区对象的视图基地址
PortContext : 是一个由服务器进程管理和解释的指针域。
ClientThread : 仅用于服务器通信端口对象，在建立连接过程中用于记录客户线程对象。
SecurityQos 、StaticSecurity : 用于建立端口对象的安全环境。
LpcReplayChainHead 、LpcDataInfoChainHead : 两个链表头，用于通信端口存放应答消息。
ServerProcess : 仅用于连接端口，以便销毁端口对象时可以解除映射。
MaxMessageLength 、MaxConnectionInfoLength ：表示该端口的最大消息长度和最大连接信息长度。
Flags : 表示该端口对象的类型和状态标志，其最低4位标识端口的类型。
WaitEvent : 仅用于可等待的端口，此事件的信号状态标识该端口是否有消息到达。

LPC子系统在初始化时，创建了名称为”Port”和“WaitablePort”的两种LPC端口对象类型。两者的主要区别是，后者包含了LPCP_PORT_OBJECT 的WaitEvent,并且从非换页内存池分配，前者从换页内存池分配。

LPC通信的消息结构：

typedef struct _LPCP_MESSAGE
{
     union
     {
          LIST_ENTRY Entry;
          struct
          {
               SINGLE_LIST_ENTRY FreeEntry;
               ULONG Reserved0;
          };
     };

     PVOID SenderPort;
     PETHREAD RepliedToThread; //发送应答时填充，因而接收方可以解除对该线程的引用
     PVOID PortContext; //从发送方的通信端口中获得
     PORT_MESSAGE Request;
} LPCP_MESSAGE, *PLPCP_MESSAGE;

Entry : 是一个消息被插入消息队列时的链表节点对象。
SenderPort : 指向发送方的端口对象。
Request : 一个PORT_MESSAGE 结构，指定了消息的长度、类型、消息ID等信息。

3  LPC通讯模型的实现

LPC通信过程分为两个阶段: 建立连接阶段和数据传输阶段。

在建立连接阶段，首先服务器进程调用NtCreateProt 或NtCreateWaitablePort 创建一个LPC端口，原型如下：

NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtCreatePort(
  OUT PHANDLE             PortHandle,
  IN POBJECT_ATTRIBUTES   ObjectAttributes,
  IN ULONG                MaxConnectInfoLength,
  IN ULONG                MaxDataLength,
  IN OUT PULONG           Reserved OPTIONAL );


NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtCreateWaitablePort(
      __out PHANDLE PortHandle,
      __in POBJECT_ATTRIBUTES ObjectAttributes,
      __in ULONG MaxConnectionInfoLength,
      __in ULONG MaxMessageLength,
      __in_opt ULONG MaxPoolUsage
  );

两个函数都是调用LpcpCreatePort函数。LpcpCreatePort根据参数名称，创建一个LPC端口对象。它首先检查参数，然后调用ObCreateObject 创建一个LpcPortObjectType 或LpcWaitablePortObjectType 类型的内核对象。然后初始化对象中的域，包括最大消息长度和最大连接信息长度。最大消息长度不得超过PORT_MAXIMUM_MESSAGE_LENGTH，即256字节。如果调用者指定了名称，则此端口对象为连接端口对象(SERVER_CONNECTION_PORT)，否则是非连接得通信端口对象(UNCONNECTED_COMMUNICATION_PORT)。最后，调用ObInsertObject 将新建得端口对象插入到当前进程得句柄表中。

服务器进程调用NtListenPort 监听连接请求，NtListen的监听是一个同步过程，它调用NtReplyWaitReceivePort ,直至该函数接收到一个LPC连接请求，或者返回不成功。函数原型如下：

NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtListenPort(
  IN HANDLE PortHandle,
  OUT PLPC_MESSAGE ConnectionRequest );

NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtReplyWaitReceivePort(
  IN HANDLE               PortHandle,
  OUT PHANDLE             ReceivePortHandle OPTIONAL,
  IN PLPC_MESSAGE         Reply OPTIONAL,
  OUT PLPC_MESSAGE        IncomingRequest );

LPC服务器和客户进程都可以使用NtReplyWaitReceivePort来接收消息。

NtReplyWaitReceivePort调用NtReplyWaitReceivePortEx ，NtReplyWaitReceivePortEx 首先检查其参数，尤其是ReplyMessage 和PortHandle。然后确定接收者的端口对象(即ReceivePort)。如果指定了ReplyMessage参数，则从此消息中定位到目标线程，并调用KeReleaseSemaphore,唤醒正在等待的目标线程。NtListenPort 将ReplyMessage 参数设置为0，所以，服务器监听连接请求时不需要处理ReplyMessage 参数。待完成参数处理后，NtReplyWaitReceivePortEx 在接收端口对象的消息队列的信号量对象上等待，即

ReceivePort->MsgQueue.Semaphore对象。等待成功以后从ReceivePort 的消息队列中读取消息，并复制到参数ReceiveMessage指定的消息对象中。

NtListen 直接在LPC连接端口对象的消息队列信号量上等待，直到有客户向此端口对象发送连接请求信息。在客户进程中，通过NtConnectPort 来完成。

NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtConnectPort(
  OUT PHANDLE             ClientPortHandle,
  IN PUNICODE_STRING      ServerPortName,
  IN PSECURITY_QUALITY_OF_SERVICE SecurityQos,
  IN OUT PLPC_SECTION_OWNER_MEMORY ClientSharedMemory OPTIONAL,
  OUT PLPC_SECTION_MEMORY ServerSharedMemory OPTIONAL,
  OUT PULONG              MaximumMessageLength OPTIONAL,
  IN                      ConnectionInfo OPTIONAL,
  IN PULONG               ConnectionInfoLength OPTIONAL );

NtConnectPort 调用NtSecureConnectPort。NtSecureConnectPort 首先检查参数。然后根据PortName 获得目标连接对象，然后调用ObCreateObject 创建一个新的LPC端口对象。如果ClientView 指定了内存区对象，则在当前进程中映射一个视图。然后初始化新的LPC端口对象，并构造一个请求连接的LPC消息，将它插入到LPC连接对象的消息队列中。服务器连接对象的消息队列的信号量对象调用KeReleaseSemaphore，唤醒服务器进程正在监听连接对象的线程。然后再当前线程的LpcReplySemaphore 信号量上等待。

服务器进程会向客户线程的LpcReplySemaphore 信号量发送信号。

NtSecureConnectPort 的到服务器对象的信号通知后，将客户的通信端口对象插入到进程的句柄表中。

服务器进程接下来调用NtAcceptConnectPort 和NtCompleteConnectPort ,接受或拒绝客户的连接请求。原型如下：

NTSTATUS
NtAcceptConnectPort(
      __out PHANDLE PortHandle,
      __in_opt PVOID PortContext,
      __in PPORT_MESSAGE ConnectionRequest,
      __in BOOLEAN AcceptConnection,
      __inout_opt PPORT_VIEW ServerView,
      __out_opt PREMOTE_PORT_VIEW ClientView
  );



NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtCompleteConnectPort(
  IN HANDLE               PortHandle );

ConnectionRequest 是NtListenPort 返回的连接请求消息。

AcceptConnection 表明应该接受还是拒绝此请求。

ServerView 和ClientView 用于内存区对象的视图映射。

至此，客户进程与服务器进程之间的LPC连接已经建立起来。建立LPC连接的交互过程，如图：

两个进程建立连接后，双方可以发送或接收应答消息。LPC通信的函数简要说明：

1. NtRequestPort ,向指定的端口发送一个请求消息。该函数首先找到目标端口，将消息插入到该端口的消息队列中，然后调用KeReleaseSemaphore 使消息队列的信号量计数器增1。
2. NtRequestWaitReplyPort,向指定的端口发送一个请求消息，然后等待应答。该函数首先检查要发送的消息，并利用消息中的信息找到要唤醒的线程，将请求消息告诉对方，并唤醒它，然后等待对方的应答。
3. LpcRequestPort,直接使用端口对象的地址
4. LpcRequestWaitReplyPort/LpcRequestWaitReplyPortEx 直接使用端口对象的地址
5. NtReplyWaitReceivePort/NtReplyWaitReceivePortEx , 如果参数中指定了应答消息，则首先根据应答消息中的信息，向应答目标方传送应答消息，并唤醒对方。然后再端口对象的消息队列信号量上等待，以接收消息。NtListenPort 使用此函数来监听客户进程的连接请求。
6. NtReplyPort ,发送一个应答消息。参数PortHandle 指定了原来接收到请求消息的端口对象，参数ReplyMessage 指定了要送回的应答消息。
7. NtReplyWaitReplyPort, 发送一个应答消息，并且等待对此应答消息的应答。

以下几点请留意：

1. 在传输消息时，不管是请求消息还是应答消息，都要进行消息拷贝，是通过LpcpMoveMessage 完成的。
2. 应答消息必定是针对前一个已经传输的消息，线程对象ETHREAD的LpcReplyMessageId 记录了该消息的ID。
3. 消息ID通过一个简单的计数器来产生，参加LpcpGenerateMessageId。
4. 如果一个函数要等待应答消息，则在等待之前，要将当前线程的LpcReplyChain 节点加入到适当端口对象的LpcReplyChanHead链表中。
5. LPC使用了全局锁LpcpLock。
6. 如果这些函数的调用者是用户模式代码，则必须严格检查参数的有效性。

LpcpClosePort 关闭端口连接，LpcpDeletePort 删除端口对象。

最后

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