开发Windows 2000/XP下的防火墙
作者：Jesús O
翻译：PowerCPP

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 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);
}

 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;
}

 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 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包过滤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，包过滤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。但包过滤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，你不能用包过滤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。

 结束：
好的，我知道这不是开发防火墙的最好的方法（我刚才已经提及了它巨大的缺点），但我想这对于在研究这个或对这个有所兴趣的人们是一个好的开始。希望你能够读明白，并开发出一款强大的防火墙。