NtSocket的稳定实现，Client与Server的简单封装，以及SocketAsyncSelect的一种APC实现

发表于 1年以前 | 总阅读数：248 次

一 NtSocket_NtClient_NtServer

Using NtCreateFile and NtDeviceIoControlFile to realize the function of winsock.

利用NtCreateFile和NtDeviceIoControlFile实现winsock的功能。

部分功能参考ReactOS源码实现。

现在已经成功封装出了一个NtClient和一个NtServer。

源码主体实现了以下函数：

WSPSocket（创建socket句柄）

WSPCloseSocket（关闭socket）

WSPBind（Bind一个地址，支持IPv6）

WSPConnect（连接一个地址，大致用法同Connect函数，支持IPv6）

WSPShutdown（Shutdown指定操作，可以同WSAShutdown使用）

WSPListen（基本同Listen函数）

WSPRecv（接收数据，基本同Recv）

WSPSend（发送数据，基本同send）

WSPGetPeerName（基本同GetPeerName，支持IPv6）

WSPGetSockName（基本同GetSockName，支持IPv6）

WSPEventSelect（事件选择模型，基本同WSAEventSelect）

WSPEnumNetworkEvents（事件选择模型，基本同WSAEnumNetworkEvents）

WSPAccept（基本完整实现accept功能）

WSPProcessAsyncSelect（本源码最大的亮点，APC异步Select模型，这是winsock没有开放的模型，IOCP模型本质上也依赖这个完成）

二前言

本程序只能使用于Windows。
本程序开发环境：Win11 x64。
本程序理论上兼容x64和x86环境，不过具体出现问题还得具体分析。

三为什么写它？

之前看了一篇文章：NTSockets - Downloading a file via HTTP using the NtCreateFile and NtDeviceIoControlFile syscalls（https://www.x86matthew.com/view_post?id=ntsockets）

我觉得这篇文章非常有意思，直接利用NtCreateFile和Afd驱动建立通信，然后利用NtDeviceIoControlFile实现向afd发送socket控制的信息。

不过美中不足的是这个程序支持x86（原因是结构体定义的问题），同时也仅实现了Client，其他部分还没有完善。

于是便有了这个程序。

四正文

最基础的内容，利用NtCreateFile创建socket句柄：


SOCKET WSPSocket(
int AddressFamily,
int SocketType,
int Protocol) {
/// <summary>
/// 类似于Socket函数，可以创建一个Socket文件句柄
/// </summary>
/// <param name="AddressFamily">Address family(Support IPv6)</param>
/// <param name="SocketType">Socket Type</param>
/// <param name="Protocol">Protocol type</param>
/// <returns>如果失败返回INVALID_SOCKET，成功返回Socket文件句柄</returns>
if (AddressFamily == AF_UNSPEC && SocketType == 0 && Protocol == 0) {
   return INVALID_SOCKET;
}
//进行基础数据设置
if (AddressFamily == AF_UNSPEC) {
   AddressFamily = AF_INET;
}
if (SocketType == 0)
{
   switch (Protocol)
   {
   case IPPROTO_TCP:
       SocketType = SOCK_STREAM;
       break;
   case IPPROTO_UDP:
       SocketType = SOCK_DGRAM;
       break;
   case IPPROTO_RAW:
       SocketType = SOCK_RAW;
       break;
   default:
       SocketType = SOCK_STREAM;
       break;
   }
}
if (Protocol == 0)
{
   switch (SocketType)
   {
   case SOCK_STREAM:
       Protocol = IPPROTO_TCP;
       break;
   case SOCK_DGRAM:
       Protocol = IPPROTO_UDP;
       break;
   case SOCK_RAW:
       Protocol = IPPROTO_RAW;
       break;
   default:
       Protocol = IPPROTO_TCP;
       break;
   }
}
byte EaBuffer[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0F, 0x1E, 0x00,
   0x41, 0x66, 0x64, 0x4F, 0x70, 0x65, 0x6E, 0x50,
   0x61, 0x63, 0x6B, 0x65, 0x74, 0x58, 0x58, 0x00,
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
   0x02, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00,
   0x06, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
   0x08, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
memmove((PVOID)((__int64)EaBuffer + 32), &AddressFamily, 0x4);
memmove((PVOID)((__int64)EaBuffer + 36), &SocketType, 0x4);
memmove((PVOID)((__int64)EaBuffer + 40), &Protocol, 0x4);
if (Protocol == IPPROTO_UDP)
{
   memmove((PVOID)((__int64)EaBuffer + 24), &Protocol, 0x4);
}
//初始化UNICODE_STRING：
UNICODE_STRING AfdName;
AfdName.Buffer = L"\\Device\\Afd\\Endpoint";
AfdName.Length = 2 * wcslen(AfdName.Buffer);
AfdName.MaximumLength = AfdName.Length + 2;
OBJECT_ATTRIBUTES  Object;
IO_STATUS_BLOCK IOSB;
//初始化OBJECT_ATTRIBUTES
InitializeObjectAttributes(&Object,
   &AfdName,
   OBJ_CASE_INSENSITIVE | OBJ_INHERIT,
   0,
   0);
HANDLE MySock;
NTSTATUS Status;
//创建AfdSocket：
Status = ((NtCreateFile)MyNtCreateFile)(&MySock,
   GENERIC_READ | GENERIC_WRITE | SYNCHRONIZE,
   &Object,
   &IOSB,
   NULL,
   0,
   FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
   FILE_OPEN_IF,
   0,
   EaBuffer,
   sizeof(EaBuffer));
if (Status != STATUS_SUCCESS) {
   return INVALID_SOCKET;
}
else {
   return (SOCKET)MySock;
}
}

从总体上看来，这部分代码是最简单的，用NtCreateFile创建\Device\Afd\Endpoint的连接，麻烦一点的可能是传递的EaBuffer，不过这部分可以直接通过CE拦截的方式获取数据，也可以参考ReactOS的结构体，我选择了一种介于两者之间的方法实现。

这部分的兼容性也是最难实现的，因为不知道不同的系统的结构体会不会有差异，不过我测试基本是没有问题的。

创建出socket句柄后，剩下的事情就非常简单了，只需要根据不同的“IOCTL_AFD_”写出各个函数即可。

最有意思的部分其实是WSPProcessAsyncSelect函数。

这个需要从WSPAsyncSelect函数说起。

使用IDA看一下mswsock.WSPAsyncSelect函数，大概长这个样子：

其中最重要的函数是SockCheckAndInitAsyncSelectHelper：

SockCheckAndInitAsyncSelectHelper函数先创建了一个\Device\Afd\AsyncSelectHlp的IO（功能未知），然后用SockCreateAsyncQueuePort函数创建了一个完成端口。

接着用NtSetInformationFile函数将完成端口和\Device\Afd\AsyncSelectHlp绑定。

在SockAsyncSelectCompletion函数中找到SockProcessAsyncSelect：

在SockProcessAsyncSelect中找到AsyncSelect真正实现原理：

（别问我怎么找的，参看ReactOS源码就会很清晰）

图中的操作应该是轮询实现的，效率比较低。

不过别忘了，NtDeviceIoControlFile是提供了APCRoutine的接口的。

实际上只需要给NtDeviceIoControlFile以APCRoutine接口，就可以实现无需轮询的AsyncSelect。

大致实现：


NTSTATUS WSPProcessAsyncSelect(
SOCKET Handle,
PVOID ApcRoutine,
ULONG lNetworkEvents,
PVOID UserContext
) {
/// <summary>
/// WSPProcessAsyncSelect是本程序最大的亮点，利用异步化的IOCTL_AFD_SELECT
/// </summary>
/// <param name="Handle"></param>
/// <param name="ApcRoutine"></param>
/// <param name="lNetworkEvents"></param>
/// <returns></returns>
AFD_AsyncData* AsyncData = (AFD_AsyncData*)malloc(sizeof(AFD_AsyncData));
if (AsyncData == NULL)
{
   return -1;
}
memset(AsyncData, 0, sizeof(AFD_AsyncData));
AsyncData->NowSocket = Handle;
AsyncData->PollInfo.Timeout.HighPart = 0x7FFFFFFF;
AsyncData->PollInfo.Timeout.LowPart = 0xFFFFFFFF;
AsyncData->PollInfo.HandleCount = 1;
AsyncData->PollInfo.Handle = Handle;
AsyncData->PollInfo.Events = lNetworkEvents;
AsyncData->UserContext = UserContext;
NTSTATUS Status;
Status = ((NtDeviceIoControlFile)(MyNtDeviceIoControlFile))((HANDLE)Handle,
   NULL,
   ApcRoutine,
   AsyncData,
   &AsyncData->IOSB,
   IOCTL_AFD_SELECT,
   &AsyncData->PollInfo,
   sizeof(AFD_PollInfo),
   &AsyncData->PollInfo,
   sizeof(AFD_PollInfo));
return Status;
}

既然已经做出了基础函数，剩下的就是封装了。

我封装了“WSPClient”和“WSPServer”两个类（一个客户端，一个服务端）。

虽然功能不是很齐全，但是至少是能用的。

主体说一下WSPServer的AsyncSelect：

核心源码：

VOID __stdcall internal_APCRoutine(
    PVOID ApcContext,
    PIO_STATUS_BLOCK IoStatusBlock,
    PVOID Reserved)
{
    /// <summary>
    /// 这是一个内部函数，也是本程序最大的亮点：APC异步select
    /// Client和服务器socket的select情况会全部调用这个函数，本函数用于分发回调事件。
    /// </summary>
    /// <param name="ApcContext"></param>
    /// <param name="IoStatusBlock"></param>
    /// <param name="Reserved"></param>
    /// <returns></returns>
    AFD_AsyncData* AsyncData = (AFD_AsyncData*)ApcContext;
    //读取出ApcContext，保存的是AsyncData，AsyncData的详细使用情况请看WSPProcessAsyncSelect函数的实现。
    WSPServer* self = (WSPServer*)AsyncData->UserContext;
    //读取出WSPServer对象，这个主要是读取出回调函数地址。
    //然后调用回调函数，参数是socket句柄和事件信息
    ((WSPServerCallBack)self->m_CallBack)(AsyncData->NowSocket, AsyncData->PollInfo.Events);
    //开启下一次APC异步select
    WSPProcessAsyncSelect(AsyncData->NowSocket, internal_APCRoutine, self->m_EnableEvent, (PVOID)self);
    //释放掉原来的AsyncData
    free(AsyncData);
}


VOID WSPServer::internal_APCThread(WSPServer* Server) {
    /// <summary>
    /// 本函数是APC异步select的线程函数，用于开启每个socket的APC异步select
    /// </summary>
    /// <param name="Server">WSPServer对象</param>
    int i = 0;
    while (1) {
        EnterCriticalSection(&Server->m_CriticalSection);
        if (!Server->IsRun) {
            //已经通知本线程退出
            LeaveCriticalSection(&Server->m_CriticalSection);
            break;
        }
        i = Server->m_NeedAPCSocket.size();
        i--;
        for (i; i >= 0; i--) {
            //将m_NeedAPCSocket每一socket读取出来，开启APC异步select
            WSPProcessAsyncSelect(
                Server->m_NeedAPCSocket[i],
                internal_APCRoutine,
                Server->m_EnableEvent,
                (PVOID)Server
            );
            //后面的APC异步select过程将由函数internal_APCRoutine完成
            Server->m_NeedAPCSocket.pop_back();
            //删除m_NeedAPCSocket对应的socket
        }
        LeaveCriticalSection(&Server->m_CriticalSection);
        SleepEx(1, true);
    }
}

HANDLE WSPServer::APCAsyncSelect(
    WSPServerCallBack*    ApcCallBack,
    int lNetworkEvents
) {
    /// <summary>
    /// 开启服务器的APC异步select模式，只能初始化一次
    /// </summary>
    /// <param name="ApcCallBack">回调函数</param>
    /// <param name="lNetworkEvents">需要异步处理的事件</param>
    /// <returns>返回异步处理线程的句柄</returns>
    if (this->m_CallBack != NULL) {
        return INVALID_HANDLE_VALUE;
    }
    EnterCriticalSection(&this->m_CriticalSection);
    this->m_EnableEvent = lNetworkEvents;
    this->m_CallBack = ApcCallBack;
    //下面将把m_AllClientSocket已有的句柄拷贝到m_NeedAPCSocket
    std::copy(m_AllClientSocket.begin(), m_AllClientSocket.end(), m_NeedAPCSocket.begin());
    //将服务器socket加入m_NeedAPCSocket
    m_NeedAPCSocket.push_back(this->m_socket);
    //启动线程
    m_ThreadHandle = CreateThread(NULL, 0, (PTHREAD_START_ROUTINE)internal_APCThread, this, 0, NULL);
    LeaveCriticalSection(&this->m_CriticalSection);
    return m_ThreadHandle;
}

就是利用WSPProcessAsyncSelect函数实现APC异步选择。

当select状态改变时，程序会通知internal_APCRoutine，internal_APCRoutine再进行回调函数的分发和下一次AsyncSelect的调用。

写得不是很精简，勉强能用吧。

这种APC方法省去了IOCP模型中很多复杂的步骤，可以说是一个很精简的异步模型了。