MDL数据结构

微软的文档里对MDL的描述感觉语焉不详，这两天在找工作的间隙逆向+黑盒测试了一下MmBuildMdlForNonPagedPool，把得到的一些理解描述下来。

一.MDL数据结构

    MDL是用来建立一块虚拟地址空间与物理页面之间的映射，结构定义如下：

   

typedef struct _MDL {
  struct _MDL *Next;
  CSHORT Size;
  CSHORT MdlFlags;
  struct _EPROCESS *Process;
  PVOID MappedSystemVa;
  PVOID StartVa;
  ULONG ByteCount;
  ULONG ByteOffset;
 } MDL, *PMDL;

    各field的解释：

    Next：MDL可以连接成一个单链表，这在IRP的结构里能找到。具体是做什么用的参考对IRP的描述

    Size：一个MDL并不单单包含结构里这些东西，在内存中紧接着一个MDL结构，存着这个MDL对应的各个物理页面编号，由于一个物理页面一定是4KB 对齐的，所以这个编号相当于一个物理页面起始地址的高20位。Size的值减去sizeof（MDL），等于存放编号的区域的大小。比如该MDL需要三个 物理页面来映射虚拟地址空间，则Size-sizeof（MDL）==4*3==12；

    MdlFlags：与这个MDL相关的一些标记

    Process：如果虚拟地址是某一进程的用户地址空间，那么MDL代表的这块虚拟地址必须是从属于某一个进程，这个成员指向从属进程的结构

    MappedSystemVa：该MDL结构对应的物理页面可能被映射到内核地址空间，这个成员代表这个内核地址空间下的虚拟地址。对 MmBuildMdlForNonPagedPool的逆向表明，MappedSystemVa=StartVa+ByteOffset。这是因为这个函 数的输入MDL，其StartVa是由ExAllocatePoolWithTag决定的，所以已经从内核空间到物理页面建立了映 射，MappedSystemVa自然就可以这样算。 可以猜测，如果是调用MmProbeAndLockPages返回，则MappedSystemVa不会与StartVa有这样的对应关系，因为此时对应的物理页面还没有被映射到内核空间。（此处未定，MmProbeAndLockPages是否会到PDE与PTE中建立映射，未知。）

    StartVa：虚拟地址空间的首地址，当这块虚拟地址描述的是一个用户进程地址空间的一块时，这个地址从属于某一个进程。

    ByteCount：虚拟地址块的大小，字节数

    ByteOffset：StartVa+ByteCount等于缓冲区的开始地址

二.对MmBuildMdlForNonPagedPool的黑盒测试

   测试的程序主要执行如下步骤：

   1.用ExAllocatePoolWithTag在内核地址空间的NonpagedPool分配一块10000自己的区域

    2.用上述得到的地址和大小调用IoAllocateMdl，返回一个MDL

    3.打印该MDL个成员的值

    4.调用MmBuildMdlForNonPagedPool

    5.打印MDL各成员的值，比较与步骤3中的不同

    代码如下：

#include "ntddk.h"
#include "wdm.h"
#include "ntdef.h"
#define BUF_LENGTH 10000
static void OutputMDL(PMDL pMDL);
static void Unload( IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject);
NTSTATUS DriverEntry( IN PDRIVER_OBJECT  pDriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath )
{
    PVOID pBuf = NULL;
    PMDL pMDL;
//set up unload routing
    pDriverObject->DriverUnload = Unload;
//allocate memory from non-paged pool
    pBuf = ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool,BUF_LENGTH,(ULONG)DriverEntry);
    if(!pBuf) {
        DbgPrint("ExAllocatePoolWithTag failed./n");
        return STATUS_SUCCESS;
    }
    DbgPrint("MDL_TEST: pBuf=0x%08x/n",(ULONG)pBuf);
//allocate a MDL
    pMDL = IoAllocateMdl(pBuf,BUF_LENGTH,FALSE,FALSE,NULL);
    if(!pMDL) {
        DbgPrint("IoAllocateMdl failed./n");
        ExFreePoolWithTag(pBuf,(ULONG)DriverEntry);
        return STATUS_SUCCESS;
    }
//print MDL right after IoAllocateMdl
    OutputMDL(pMDL);
//
    DbgPrint("****************************************/n");
//call MmBuildMdlForNonPagedPool
    MmBuildMdlForNonPagedPool(pMDL);
//print MDL after MmBuildMdlForNonPagedPool is called
    OutputMDL(pMDL);
//return
    IoFreeMdl(pMDL);
    ExFreePoolWithTag(pBuf,(ULONG)DriverEntry);
    return STATUS_SUCCESS;
}
void Unload( IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject)
{
    DbgPrint("MDL_TEST: Unloading. 88/n");
}
void OutputMDL(PMDL pMDL)
{
    int i;
    ULONG * p = (ULONG*)(pMDL+1);

    DbgPrint("MDL_TEST: Size=%d/n",pMDL->Size);
    DbgPrint("MDL_TEST: MdlFlags=0x%04x/n",pMDL->MdlFlags);
    DbgPrint("MDL_TEST: Process=0x%08x/n",(ULONG)pMDL->Process);
    DbgPrint("MDL_TEST: MappedSystemVa=0x%08x/n",(ULONG)pMDL->MappedSystemVa);
    DbgPrint("MDL_TEST: StartVa=0x%08x/n",(ULONG)pMDL->StartVa);
    DbgPrint("MDL_TEST: ByteCount=%u/n",pMDL->ByteCount);
    DbgPrint("MDL_TEST: ByteOffset=%u/n",pMDL->ByteOffset);
//print a few 4-bytes after the MDL structure
    for(i=0;i<5;i++)
        DbgPrint("MDL_TEST: p[%d]=0x%08x/n",i,p[i]);

}

执行的结果如下：

MDL_TEST: pBuf=0xadc92000
MDL_TEST: Size=40
MDL_TEST: MdlFlags=0x0008
MDL_TEST: Process=0x87e85c88
MDL_TEST: MappedSystemVa=0x95fb1cc4
MDL_TEST: StartVa=0xadc92000
MDL_TEST: ByteCount=10000
MDL_TEST: ByteOffset=0
MDL_TEST: p[0]=0x0002d72f
MDL_TEST: p[1]=0x0002e2b0
MDL_TEST: p[2]=0x0007e15a
MDL_TEST: p[3]=0x0007e15b
MDL_TEST: p[4]=0x0007e15c
****************************************
MDL_TEST: Size=40
MDL_TEST: MdlFlags=0x000c
MDL_TEST: Process=0x00000000
MDL_TEST: MappedSystemVa=0xadc92000
MDL_TEST: StartVa=0xadc92000
MDL_TEST: ByteCount=10000
MDL_TEST: ByteOffset=0
MDL_TEST: p[0]=0x0005bd23
MDL_TEST: p[1]=0x0005bea2
MDL_TEST: p[2]=0x0005bb21
MDL_TEST: p[3]=0x0007e15b
MDL_TEST: p[4]=0x0007e15c

对驱动程序采用Direct I/O方式进行数据读的测试

采用这种方式进行读数据时，I/O Manager调用MmProbeAndLockPages将ReadFile参数提供的用户空间缓冲区对应的物理页面锁定为不可换出，然后将得到的 MDL放在Irp->MdlAddress里，将IRP传递给相应驱动程序的DispatchRead。根据Walter Oney在书中的描述，此时I/O Manager的行为可以用下面的代码来描述：

[c-sharp] view plaincopy

1. KPROCESSOR_MODE mode;   // <== either KernelMode or UserMode  
2. PMDL mdl = IoAllocateMdl(uva, length, FALSE, TRUE, Irp);  
3. MmProbeAndLockPages(mdl, mode,  
4.   reading ? IoWriteAccess : IoReadAccess);  
5. <code to send and await IRP>  
6. MmUnlockPages(mdl);  
7. IoFreeMdl(mdl);  

这里主要关注的地方是MmProbeAndLockPages有没有进行实际的虚拟地址的映射，即将物理页面映射到内核地址空间中。我们用下面的驱动代码来测试这一行为。

[c-sharp] view plaincopy

1. NTSTATUS DispatchRead(IN PDEVICE_OBJECT pDeviceObject, IN PIRP pIrp)  
2. {  
3.     PVOID pSysAddr;  
4.     PMDL pMDL = pIrp->MdlAddress;  
5.     DbgPrint("******************DispatchRead******************/n");  
6.     DbgPrint("Before MmGetSystemAddressForMdlSafe/n");  
7.     OutputMDL(pMDL);  
8.     pSysAddr = MmGetSystemAddressForMdlSafe(pMDL,LowPagePriority);  
9.     if(!pSysAddr) {  
10.         DbgPrint("MmGetSystemAddressForMdlSafe failed./n");  
11.         return STATUS_SUCCESS;  
12.     }  
13.       
14.     DbgPrint("After MmGetSystemAddressForMdlSafe/n");  
15.     OutputMDL(pMDL);  
16.     pIrp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;  
17.     pIrp->IoStatus.Information = MmGetMdlByteCount(pMDL);  
18.     IoCompleteRequest(pIrp,IO_NO_INCREMENT);  
19.       
20.     return STATUS_SUCCESS;  
21. }  

再写一个应用程序来发起一个读操作：

[c-sharp] view plaincopy

1. void TestMDLDriver()  
2. {  
3.     HANDLE hDevice;  
4.     BOOL bRet;  
5.     DWORD dwRead;  
6.     BYTE buf[10000] = {'S','Q','U','I'};  
7.     hDevice = CreateFile(_T("////.//MDLTest"),GENERIC_READ,0,NULL,OPEN_EXISTING,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL);  
8.     if(hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE)   
9.     {  
10.         fprintf(stderr,"CreateFile error : %d/n",GetLastError());  
11.         return;  
12.     }  
13. //issue a read request  
14.     bRet = ReadFile(hDevice,buf,sizeof(buf),&dwRead,NULL);  
15.     if(!bRet)  
16.     {  
17.         fprintf(stderr,"ReadFile error : %d/n",GetLastError());  
18.         return;  
19.     }  
20.     printf("Read bytes:%d/n",dwRead);  
21. //  
22.     CloseHandle(hDevice);  
23. }  

导致的内核输出如下：

[cpp] view plaincopy

1. 00000009    4.27463436  ******************DispatchRead******************  
2. 00000010    4.27464771  Before MmGetSystemAddressForMdlSafe  
3. 00000011    4.27465439  MDL_TEST: Size=40  
4. 00000012    4.27466011  MDL_TEST: MdlFlags=0x008a  
5. 00000013    4.27466583  MDL_TEST: Process=0x86ca7b58  
6. 00000014    4.27467155  MDL_TEST: MappedSystemVa=0x92b1f000  
7. 00000015    4.27467775  MDL_TEST: StartVa=0x001ad000  
8. 00000016    4.27468348  MDL_TEST: ByteCount=10000  
9. 00000017    4.27468824  MDL_TEST: ByteOffset=1148  
10. 00000018    4.27469397  MDL_TEST: p[0]=0x00064429  
11. 00000019    4.27469969  MDL_TEST: p[1]=0x000619fc  
12. 00000020    4.27470541  MDL_TEST: p[2]=0x000618ee  
13. 00000021    4.27471066  MDL_TEST: p[3]=0x00060749  
14. 00000022    4.27471685  MDL_TEST: p[4]=0x86abca24  
15. 00000023    4.27472448  After MmGetSystemAddressForMdlSafe  
16. 00000024    4.27472973  MDL_TEST: Size=40  
17. 00000025    4.27473545  MDL_TEST: MdlFlags=0x008b  
18. 00000026    4.27474070  MDL_TEST: Process=0x86ca7b58  
19. 00000027    4.27474689  MDL_TEST: MappedSystemVa=0xb01e747c  
20. 00000028    4.27475214  MDL_TEST: StartVa=0x001ad000  
21. 00000029    4.27475786  MDL_TEST: ByteCount=10000  
22. 00000030    4.27476311  MDL_TEST: ByteOffset=1148  
23. 00000031    4.27476835  MDL_TEST: p[0]=0x00064429  
24. 00000032    4.27477455  MDL_TEST: p[1]=0x000619fc  
25. 00000033    4.27477980  MDL_TEST: p[2]=0x000618ee  
26. 00000034    4.27478504  MDL_TEST: p[3]=0x00060749  
27. 00000035    4.27479029  MDL_TEST: p[4]=0x86abca24  

此时从VS的调试器中看到，应用程序中buf[10000]的地址为0x001ad47c

从输出可以得到如下结论：

1.MmProbeAndLockPages并不将物理页面映射到内核地址空间，而仅锁定物理页面；MappedSystemVa的变化可以显示这一点

2.buf的地址=StartVa+ByteOffset；

3.MmGetSystemAddressForMdlSafe进行实际的映射操作，并设置MdlFlags的MDL_MAPPED_TO_SYSTEM_VA标志。

4.MmProbeAndLockPages将MdlFlags=MDL_WRITE_OPERATION | MDL_ALLOCATED_FIXED_SIZE | MDL_PAGES_LOCKED