Nothing Is Secret

VPB的来龙去脉（一）

VPB是Windows I/O Manager子系统的一个重要的数据结构，全称为 Volume Parameter Block。它的任务是绑定卷设备（如磁盘分区或虚拟磁盘）和接管此卷设备的文件系统（如FastFat，NTFS）。Windows系统上的挂载点（Mount Point，如盘符C:）只能定位至卷设备（如\Device\HarddiskVolume1），Windows Object Manager（对象管理器）在解析路径名时（即Name Parsing过程）还要通过卷设备的VPB信息进一步定位至接管此卷设备的文件系统驱动上。

Relationship of VPB, Storage Volume Device and File System Logical Volume Device

图一

VPB结构说明：

定义于WDK头文件inc\ddk\wdm.h中

typedef struct _VPB {
    CSHORT Type;
    CSHORT Size;
    USHORT Flags;
    USHORT VolumeLabelLength; // in bytes
    struct _DEVICE_OBJECT *DeviceObject;
    struct _DEVICE_OBJECT *RealDevice;
    ULONG SerialNumber;
    ULONG ReferenceCount;
    WCHAR VolumeLabel[MAXIMUM_VOLUME_LABEL_LENGTH / sizeof(WCHAR)];
} VPB, *PVPB

成员说明：

  • Type:  魔数标志 IO_TYPE_VPB
  • Size:   sizeof(VPB)
    Flags:  标志位，相关标志描述如下：
                VPB_MOUNTED (1<<0):       此卷已被文件系统识别并已挂载
                VPB_LOCKED (1<<1):           此卷已被文件系统锁定，锁定操作由请求FSCTL_LOCK_VOLUME完成
                VPB_PERSISTENT (1<<2):   将VPB一直保留在内存中（不释放），即使此VPB引用计数为0
                VPB_REMOVE_PENDING (1<<3): 表示此存储设备即将被卸载/删除。此标志由Pnp Manager(即插
                                                                  即用管理器)管理和使用。此标志在可在处理Pnp请求
                                                                   IRP_MN_CANCEL_REMOVE_DEVICE时清除
                 VPB_RAW_MOUNT (1<<4): 指定此卷仅由系统RAW文件系统接管
  • VolumeLabelLength:  卷标长度（in bytes）
  • DeviceObject:           未命名的文件系统逻辑卷对象（unnamed logical volume）
  • RealDevice:               物理卷设备（如\Device\HarddiskVolume1）
  • SerialNumber:           卷序列号
  • ReferenceCount:      VPB的引用计数，用以控制VPB的生命周期
  • VolumeLabel:             卷标，最长32个双字节
                                      #define MAXIMUM_VOLUME_LABEL_LENGTH (32 * sizeof(WCHAR))

    VPB的操作（包括初始化）是由I/O Manager及文件系统二者共同完成的，所以多头管理正是VPB的复杂性所在，好在正常情况下，VPB的申请和释放均由I/O Manager实施，此时VPB从创建到释放的生命周期中基本上是单线式发展的。但当遇到Force Dismount及Remount特殊情况时，文件系统会直接干预VPB的创建及释放，致使VPB的单线式的发展周期一分为二，致使VPB的管理变得更加复杂。

    我们先从正常情况开始介绍，先介绍几个VPB相关的内部函数：

    0: kd> x nt!*Vpb*
    fffff800`01d62940 nt!IovpBuildDriverObjectList = <no type information>
    fffff800`0189f150 nt!IopDereferenceVpbAndFree = <no type information>
    fffff800`01c54400 nt!IopCreateVpb = <no type information>
    fffff800`01968830 nt!IopReferenceVerifyVpb = <no type information>
    fffff800`01865d0c nt!IopMountInitializeVpb = <no type information>
    fffff800`01865db0 nt!IoAcquireVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01af7640 nt!IopVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01903ab0 nt!IopCheckVpbMounted = <no type information>
    fffff800`01865a48 nt!IopQueryVpbFlagsSafe = <no type information>
    fffff800`01c827b0 nt!HvpBuildMapAndCopy = <no type information>
    fffff800`01865de0 nt!IoReleaseVpbSpinLock = <no type information>
    fffff800`01c82ca0 nt!HvpBuildMap = <no type information>

    IoAcquireVpbSinLock()及IoReleaseVpbSpinLock()为系统支持函数（kernel support routine）。Windows I/O Manager在内核中维护一个全局的spinlock锁，以保护所有对Vpb结构体的访问。文件系统和I/O Manager本身在访问Vpb时都必须调用IoAcquireVpbSpinLock()，访问结束后再调用IoReleaseVpbSpinLock()释放全局自销锁。

    IopCreateVpb(): 从NonPagedPool中申请VPB，然后简单初始化VPB（type，size）并与RealDevice一起绑定

    IopCheckVpbMounted(): 检测DeviceObject是不是已经挂载，若没有则会调用IopMountVolume尝试去挂载

    IopMountInitializeVpb(): 设置新挂载卷设备的Vpb（设置VPB_MOUNTED标记，增加引用计数等），由
                                            IopMountVolume挂载成功后调用

    IopQueryVpbFlagsSafe(): 获取设备DeviceObject的VPB的标志位信息，即DeviceObject->Vpb->Flags。如
                                              果DeviceObject->Vpb为NULL，则返回0值。（较新Windows版本才引入的函数）
    IopReferenceVerifyVpb(): 如果卷设备已被挂载，则返回其VPB及对应的文件系统逻辑卷设备对象，此函数
                                              增加VPB的引用计数

    IopDereferenceVpbAndFree():顾名即知其义，此函数会减少VPB的引用计数，如果引用计数归0则会释放
                                                     此VPB至NonPagedPool。（特例VPB_PERSISTENT除外）

    VPB的创建及初始化:

    VPB真正是由IoCreateDevice()在创建新设备对象时分配的，当然IoCreateDevice()是调用的 IopCreateVpb()来做的VPB的分配及最初的初始化。

    IoCreateDevice()不是对所有的设备对象都分配VPB，而是只针对4种设备：

    • FILE_DEVICE_DISK (0x07)
    • FILE_DEVICE_TAPE (0x1f)
    • FILE_DEVICE_CD_ROM (0x02)
    • FILE_DEVICE_VIRTUAL_DISK (0x24)

    VPB的初始化并不复杂，因为VPB的结构体并不庞大，但是，其初始化操作相当分散，由下面的3个过程共同完成：

    • IoCreateDevice()/IopCreateVpb()
    • IopParseDevice()/IopCheckVpbMounted()/IopMountVolume()/File system IPR_MN_MOUNT_VOLUME
      handler(以FastFat为例：FatMountVolume)
    • IopParseDevice()/IopCheckVpbMounted()/IopMountVolume()/IopMountInitializeVpb()

    具体每一部分都做了什么并不难发掘，读者不妨用windbg作个简单实验。

    下面以FastFat (Windows 7 X64)为例介绍一个已加载卷的VPB内容，实验时我们插入一个FAT32格式的SD卡，系统会自动挂载。下面来枚举FastFat文件系统队列中所有的逻辑卷：

    0: kd> ?? fastfat!FatData
    struct _FAT_DATA
       +0x000 NodeTypeCode     : 0x500
       +0x002 NodeByteSize     : 304
       +0x008 LazyWriteThread  : (null)
       +0x010 VcbQueue         : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8b68 - 0xfffffa80`047a8b68 ]
       +0x020 DriverObject     : 0xfffffa80`05809e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x028 DiskFileSystemDeviceObject : 0xfffffa80`04842880
       +0x030 CdromFileSystemDeviceObject : 0xfffffa80`05bf6890
       +0x038 Resource         : _ERESOURCE
       +0x0a0 OurProcess       : 0xfffffa80`036edb30 _KPROCESS
       +0x0a8 NumberProcessors : 2
       +0x0ac ChicagoMode      : 0y1
       +0x0ac FujitsuFMR       : 0y0
       +0x0ac AsyncCloseActive : 0y0
       +0x0ac ShutdownStarted  : 0y0
       +0x0ac CodePageInvariant : 0y1
       +0x0ac HighAsync        : 0y0
       +0x0ac HighDelayed      : 0y0
       +0x0b0 AsyncCloseCount  : 0
       +0x0b8 AsyncCloseList   : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e3578 - 0xfffff880`070e3578 ]
       +0x0c8 DelayedCloseCount : 1
       +0x0d0 DelayedCloseList : _LIST_ENTRY [ 0xfffff8a0`0b4315b0 - 0xfffff8a0`0b4315b0 ]
       +0x0e0 FatCloseItem     : 0xfffffa80`057e8480 _IO_WORKITEM
       +0x0e8 GeneralSpinLock  : 0
       +0x0f0 CacheManagerCallbacks : _CACHE_MANAGER_CALLBACKS
       +0x110 CacheManagerNoOpCallbacks : _CACHE_MANAGER_CALLBACKS

    0: kd> !list "-t nt!_LIST_ENTRY.Flink -e -x \"dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58\" 0xfffffa80`047a8b68"
    dd @$extret l4;  dt fastfat!_VCB @$extret-0x58
    fffffa80`047a8b68  070e34d0 fffff880 070e34d0 fffff880
       +0x000 VolumeFileHeader : _FSRTL_ADVANCED_FCB_HEADER
       +0x058 VcbLinks         : _LIST_ENTRY [ 0xfffff880`070e34d0 - 0xfffff880`070e34d0 ]
       +0x068 TargetDeviceObject : 0xfffffa80`053c7040 _DEVICE_OBJECT
       +0x070 Vpb              : 0xfffffa80`047e8830 _VPB
       +0x078 VcbState         : 0x101002
       +0x07c VcbCondition     : 1 ( VcbGood )
       +0x080 RootDcb          : 0xfffffa80`0480b940 _FCB
       +0x088 NumberOfWindows  : 2
       +0x090 Windows          : 0xfffff8a0`0b4b8530 _FAT_WINDOW
       +0x098 CurrentWindow    : 0xfffff8a0`0b4b853c _FAT_WINDOW
       +0x0a0 DirectAccessOpenCount : 0
       +0x0a4 ShareAccess      : _SHARE_ACCESS
       +0x0c0 OpenFileCount    : 1
       +0x0c4 ReadOnlyCount    : 1
       +0x0c8 InternalOpenCount : 2
       +0x0cc ResidualOpenCount : 2
       +0x0d0 Bpb              : BIOS_PARAMETER_BLOCK
       +0x100 First0x24BytesOfBootSector : (null)
       +0x108 AllocationSupport : <unnamed-tag>
       +0x128 DirtyFatMcb      : _LARGE_MCB
       +0x148 BadBlockMcb      : _LARGE_MCB
       +0x168 FreeClusterBitMap : _RTL_BITMAP
       +0x178 FreeClusterBitMapMutex : _FAST_MUTEX
       +0x1b0 Resource         : _ERESOURCE
       +0x218 ChangeBitMapResource : _ERESOURCE
       +0x280 VirtualVolumeFile : 0xfffffa80`0480aa10 _FILE_OBJECT
       +0x288 SectionObjectPointers : _SECTION_OBJECT_POINTERS
       +0x2a0 ClusterHint      : 2
       +0x2a8 CurrentDevice    : 0xfffffa80`047e8cd0 _DEVICE_OBJECT
       +0x2b0 VirtualEaFile    : (null)
       +0x2b8 EaFcb            : (null)
       +0x2c0 FileObjectWithVcbLocked : (null)
       +0x2c8 DirNotifyList    : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8dd8 - 0xfffffa80`047a8dd8 ]
       +0x2d8 NotifySync       : 0xfffffa80`056fec30
       +0x2e0 DirectoryFileCreationMutex : _FAST_MUTEX
       +0x318 VerifyThread     : (null)
       +0x320 CleanVolumeDpc   : _KDPC
       +0x360 CleanVolumeTimer : _KTIMER
       +0x3a0 LastFatMarkVolumeDirtyCall : _LARGE_INTEGER 0x0
       +0x3a8 Statistics       : 0xfffffa80`05b5ec80 _FILE_SYSTEM_STATISTICS
       +0x3b0 Tunnel           : TUNNEL
       +0x408 ChangeCount      : 0
       +0x410 SwapVpb          : 0xfffffa80`05b5ec10 _VPB
       +0x418 AsyncCloseList   : _LIST_ENTRY [ 0xfffffa80`047a8f28 - 0xfffffa80`047a8f28 ]
       +0x428 DelayedCloseList : _LIST_ENTRY [ 0xfffff8a0`0b4315c0 - 0xfffff8a0`0b4315c0 ]
       +0x438 AdvancedFcbHeaderMutex : _FAST_MUTEX
       +0x470 CloseContext     : 0xfffff8a0`0b553a90 CLOSE_CONTEXT
       +0x478 CloseContextCount : 1

    当前系统中只有一个FAT32卷，即我们刚插入的SD卡。下面打印出VPB的内容：

    0: kd> dt _VPB 0xfffffa80`047e8830
    nt!_VPB
       +0x000 Type             : 10
       +0x002 Size             : 96
       +0x004 Flags            : 1
       +0x006 VolumeLabelLength : 0x10
       +0x008 DeviceObject     : 0xfffffa80`047a8970 _DEVICE_OBJECT
       +0x010 RealDevice       : 0xfffffa80`047e8cd0 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 SerialNumber     : 0x51e712c6
       +0x01c ReferenceCount   : 2
       +0x020 VolumeLabel      : [32]  "CANON_DC"

    Vpb->Flags显示卷是已挂载的，即标志位VBP_MOUNTED已被设置。从Vpb内容可知，此SD卡的卷标为"CANON_DC"，实际上它就是CANON相机的存储卡。DeviceObject，即文件系统逻辑卷设备为0xfffffa80`047a8970；RealDevice，即存储栈上最底层的设备为0xfffffa80`047e8cd0。

    0: kd> !devobj 0xfffffa80`047e8cd0
    Device object (fffffa80047e8cd0) is for:
    HarddiskVolume17 \Driver\volmgr DriverObject fffffa8004086e70
    Current Irp 00000000 RefCount 2 Type 00000007 Flags 00003050
    Vpb fffffa80047e8830 Dacl fffff9a109ae12b0 DevExt fffffa80047e8e20 DevObjExt fffffa80047e8f88 Dope fffffa800480c840 DevNode fffffa80047e8a00
    ExtensionFlags (0000000000) 
    AttachedDevice (Upper) fffffa80047e5ac0 \Driver\fvevol
    Device queue is not busy.

    0: kd> !devobj 0xfffffa80`047a8970
    Device object (fffffa80047a8970) is for:
      \FileSystem\fastfat DriverObject fffffa8005809e70
    Current Irp 00000000 RefCount 0 Type 00000008 Flags 00000000
    DevExt fffffa80047a8ac0 DevObjExt fffffa80047a8f90
    ExtensionFlags (0x00000800) 
                                 Unknown flags 0x00000800

    0: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`047e8cd0
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0x2b8
       +0x004 ReferenceCount   : 2
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`04086e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`045ed440 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`047e5ac0 _DEVICE_OBJECT
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0x3050
       +0x034 Characteristics  : 1
       +0x038 Vpb              : 0xfffffa80`047e8830 _VPB
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`047e8e20
       +0x048 DeviceType       : 7
       +0x04c StackSize        : 9 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : 0xfffff8a0`099c1210
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 1
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`047e8f88 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    0: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`047a8970
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0x620
       +0x004 ReferenceCount   : 0
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`05809e70 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`05bf6890 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : 0xfffffa80`0480ab50 _DEVICE_OBJECT
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0
       +0x034 Characteristics  : 0
       +0x038 Vpb              : (null)
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`047a8ac0
       +0x048 DeviceType       : 8
       +0x04c StackSize        : 12 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : (null)
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 1
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`047a8f90 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    Vcb->Vpb 与Vcb->Vbp->RealDevice->Vpb是一致的。下面再来研究一下存储设备栈的最上层的DeviceObject，即Vcb->TargetDeviceObject (0xfffffa80`053c7040):

    1: kd> !devobj 0xfffffa80`053c7040
    Device object (fffffa80053c7040) is for:
      \Driver\volsnap DriverObject fffffa80045c79b0
    Current Irp 00000000 RefCount 0 Type 00000007 Flags 00002010
    DevExt fffffa80053c7190 DevObjExt fffffa80053c7d38
    ExtensionFlags (0x00000800) 
                                 Unknown flags 0x00000800
    AttachedTo (Lower) fffffa80047e5ac0 \Driver\fvevol
    Device queue is not busy.
    1: kd> dt _DEVICE_OBJECT 0xfffffa80`053c7040
    nt!_DEVICE_OBJECT
       +0x000 Type             : 3
       +0x002 Size             : 0xcf8
       +0x004 ReferenceCount   : 0
       +0x008 DriverObject     : 0xfffffa80`045c79b0 _DRIVER_OBJECT
       +0x010 NextDevice       : 0xfffffa80`04649060 _DEVICE_OBJECT
       +0x018 AttachedDevice   : (null)
       +0x020 CurrentIrp       : (null)
       +0x028 Timer            : (null)
       +0x030 Flags            : 0x2010
       +0x034 Characteristics  : 0x101
       +0x038 Vpb              : (null)
       +0x040 DeviceExtension  : 0xfffffa80`053c7190
       +0x048 DeviceType       : 7
       +0x04c StackSize        : 11 ''
       +0x050 Queue            : <unnamed-tag>
       +0x098 AlignmentRequirement : 0
       +0x0a0 DeviceQueue      : _KDEVICE_QUEUE
       +0x0c8 Dpc              : _KDPC
       +0x108 ActiveThreadCount : 0
       +0x110 SecurityDescriptor : (null)
       +0x118 DeviceLock       : _KEVENT
       +0x130 SectorSize       : 0x200
       +0x132 Spare1           : 0
       +0x138 DeviceObjectExtension : 0xfffffa80`053c7d38 _DEVOBJ_EXTENSION
       +0x140 Reserved         : (null)

    有没有觉察出有什么异常状况？TargetDeviceObject的DeviceType为FILE_DEVICE_DISK (0x07)，但它的Vpb项却是空的。根据上面对IoCreateDevice的分析，对所有4种设备类型，在创建设备时都会分配VPB，难道是被释放了？

    经过研究才发现其中另有蹊跷。TargetDeviceObject是由VolSnap创建的，VolSnap是Windows Volume Shadow Copy Service的核心组件，VolSnap为每个卷设备都创建Fdo设备并将其加入设备栈中。但蹊跷的地方是，在创建设备对象时，VolSnap使用的DeviceType却是FILE_DEVICE_UNKNOWN (0x22)，并在将设备加入存储设备栈后，再将TargetDeviceObject的DeviceType从FILE_DEVICE_UNKOWN改为FILE_DEVICE_DISK的，所以TargetDeviceObject的Vpb项为空。

    有兴趣地话可以反汇编一下volsnap!VolSnapAddDevice的代码。

    （to be continued）