【Windows编程】基于USB设备的开机锁

*代码参考了《黑客防线2011精华奉献本上册》的文章《U盘打造开机锁》。

原理

 　　U盘是一种即插即用的可移动设备（PnP），它具有VID、PID以及产品序列号等可以标识其身份。引用一下文章来浅要介绍一下VID与PID的相关内容：

　　不同的U盘具有不同的序列号，因此我们可以通过识别U盘的序列号来判断该计算机上是否插有该U盘，如果没有则会强制关机，如果有U盘的话，则可以进行操作。这就是通过U盘来实现开机锁的基本原理。

相关内容

　　开发环境是VIsual Studio 2005+WDK7600。需要注意的是WDK是必须的。因为程序中需要用到WDK中的一些头文件与库文件。读者可以自行去微软网站下载相关软件。

　　新建Win32项目，选择空项目、不预编译头文件。然后再在项目当中添加一个cpp源文件（我所用的名字是Upansuo.cpp）。程序就是在Upansuo.cpp中实现的。程序主要完成两方面的工作：1）获取USB设备，从中筛选出USB移动设备（以下直接称之为U盘），并获取其信息。2）根据获得的U盘信息，来进行启动管理。以下根据代码来理解程序的执行流程与实现原理。

代码解释

　　从WinMain函数开始看起，Windows程序的执行都是从它开始的：

int _stdcall WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE hPreInstance,LPSTR lpCmdLine,int nShowCmd)
{
    int i,nDevice;   //USB设备的数量
    int ndevice=0;   //U盘设备的数量
    wchar_t *szDevicePath[MAX_DEVICE];  //存储设备路径
    HANDLE hDevice;

    PSTORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR DeviceDesc;

  　　如同注释所说的，nDevice为USB设备的数量，ndevice为U盘（可移动的数据存储设备）的数量。szDevicePath为存储设备路径，它是wchar_t类型的指针数组。wchar_t是微软运行时库（The Microsoft run-time library ）所定义的标准类型（standard types），中文称它为“宽字符”，使得不同语言的文字都有相应的编码，从而能够显示相当多的各国字符，而不仅仅是ANSI字符中的那么一点儿。MAX_DEVICE为自定义的常量：

#define MAX_DEVICE 100

　　hDevice为句柄，如同名字所暗示的，它在程序中用来标识设备，用以返回设备的句柄。PSTORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR是"winioctl.h"中定义的一个数据结构的指针：

typedef __struct_bcount(Size) struct _STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR {

    //
    // Sizeof(STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)
    //

    DWORD Version;

    //
    // Total size of the descriptor, including the space for additional
    // data and id strings
    //

    DWORD Size;

    //
    // The SCSI-2 device type
    //

    BYTE  DeviceType;

    //
    // The SCSI-2 device type modifier (if any) - this may be zero
    //

    BYTE  DeviceTypeModifier;

    //
    // Flag indicating whether the device's media (if any) is removable.  This
    // field should be ignored for media-less devices
    //

    BOOLEAN RemovableMedia;

    //
    // Flag indicating whether the device can support mulitple outstanding
    // commands.  The actual synchronization in this case is the responsibility
    // of the port driver.
    //

    BOOLEAN CommandQueueing;

    //
    // Byte offset to the zero-terminated ascii string containing the device's
    // vendor id string.  For devices with no such ID this will be zero
    //

    DWORD VendorIdOffset;

    //
    // Byte offset to the zero-terminated ascii string containing the device's
    // product id string.  For devices with no such ID this will be zero
    //

    DWORD ProductIdOffset;

    //
    // Byte offset to the zero-terminated ascii string containing the device's
    // product revision string.  For devices with no such string this will be
    // zero
    //

    DWORD ProductRevisionOffset;

    //
    // Byte offset to the zero-terminated ascii string containing the device's
    // serial number.  For devices with no serial number this will be zero
    //

    DWORD SerialNumberOffset;

    //
    // Contains the bus type (as defined above) of the device.  It should be
    // used to interpret the raw device properties at the end of this structure
    // (if any)
    //

    STORAGE_BUS_TYPE BusType;

    //
    // The number of bytes of bus-specific data which have been appended to
    // this descriptor
    //

    DWORD RawPropertiesLength;

    //
    // Place holder for the first byte of the bus specific property data
    //

    BYTE  RawDeviceProperties[1];

} STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR, *PSTORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR;

 

　　第一行的代码不用管它，只需要简单地理解成typedef struct _STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR即可。下面看它的成员：

Version：

　　按照头文件中的注释，它即是这个数据结构的大小Sizeof(STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)。

Size：

　　描述符(descriptor）的总共大小，包括了附加数据和ID字符串的长度。

DeviceType：

　　指定设备的小型计算机系统接口（SCSI）的类型。应该是这样翻译的。MSDN原文是：“Specifies the device type as defined by the Small Computer Systems Interface (SCSI) specification.”

DeviceTypeModifier：

　　指定设备的SCSI Modifier，如果没有SCSI Modifier，则成员的值为0.

RemovableMedia：

　　BOOLEAN类型，指示设备的媒介（Media）是不是可移动（拆除）的。如果设备没有媒介，则该成员被忽略。

CommandQueueing：

　　BOOLEAN类型，指示设备是否支持mulitple outstanding commands，端口设备负责同步。

VendorIdOffset：

　　指示生产商ID的偏移。如果设备不存在ANSII字符的生产商ID，该成员的值则为0.

ProductIdOffset：

　　指示产品ID的偏移。如果设备部存在ANSII字符的产品ID，该成员的值为0.

ProductRevisionOffset：

　　指示产品修正ID的偏移。如果设备部存在ANSII字符的产品修正ID，该成员的值为0.

（大概我们可以将VendorIdOffset理解为主ID号，而将ProductIdOffset理解为副ID号）

SerialNumberOffset：

　　指示产品序列号的偏移。如果设备没有序列号，则该成员的值为0.

BusType：

　　该成员的类型为STORAGE_BUS_TYPE。指示设备的总线类型。它在结构的最后（说明设备的属性）（interpret the raw device properties at the end of this structure）。BusType是一个枚举类型，BusTypeUsb对应的值为0x07：

typedef enum _STORAGE_BUS_TYPE {
    BusTypeUnknown = 0x00,
    BusTypeScsi,
    BusTypeAtapi,
    BusTypeAta,
    BusType1394,
    BusTypeSsa,
    BusTypeFibre,
    BusTypeUsb,
    BusTypeRAID,
    BusTypeiScsi,
    BusTypeSas,
    BusTypeSata,
    BusTypeSd,
    BusTypeMmc,
    BusTypeVirtual,
    BusTypeFileBackedVirtual,
    BusTypeMax,
    BusTypeMaxReserved = 0x7F
} STORAGE_BUS_TYPE, *PSTORAGE_BUS_TYPE;

RawPropertiesLength：

　　附加在此描述符后的详细的总线数据（bus-specific data）的长度。

RawDeviceProperties：

　　存放总线详细的属性信息（bus specific property data）的第一字节。（翻译可能不对，MSDN原文是“Place holder for the first byte of the bus specific property data”）

 

　　再回到原来的程序当中，接下来的两行：

    DeviceDesc=(PSTORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)new BYTE[sizeof(STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)+512-1];
    DeviceDesc->Size=sizeof(STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)+512-1;

　　第一行的代码为DeviceDesc分配了551字节的内存（sizeof(STORAGE_DEVICE_DESCRIPTOR)+512-1），然后设置了DeviceDesc的成员Size为相应的大小。附加的数据信息长度为511字节。

    for(i=0;i<MAX_DEVICE;i++)
    {
        szDevicePath[i]=new wchar_t[256];
    }

　　此循环用来给szDevicePath数组中的每个元素（设备的路径）分配内存。路径的最大长度为256个宽字符。接下来调用了自定义的函数GetDevicePath()用来获取设备的路径：

nDevice=::GetDevicePath((LPGUID)&UsbClassGuid,szDevicePath);

　　传递进来的有两个参数：1）UsbClassGuid；2）设备路径数组的头指针。需要注意的是第一个参数。它的类型为LPGUID。LPGUID是GUID型的指针，它在头文件"guiddef.h"中有定义：

typedef GUID *LPGUID;

　　而GUID的定义也在"guiddef.h"中：

#if defined(__midl)
typedef struct {
    unsigned long  Data1;
    unsigned short Data2;
    unsigned short Data3;
    byte           Data4[ 8 ];
} GUID;
#else
typedef struct _GUID {
    unsigned long  Data1;
    unsigned short Data2;
    unsigned short Data3;
    unsigned char  Data4[ 8 ];
} GUID;

　　可以看到，GUID是一个（4+2+2+8）=16字节=128位的二进制数，它用来指示产品的唯一性。USB大容量存储设备（USB Mass Storage Device）的GUID为“a5dcbf10-6530-11d2-901f-00c04fb951ed”。因此，在程序的最开头，有一行定义：

DEFINE_GUID(UsbClassGuid, 0xa5dcbf10L, 0x6530, 0x11d2, 0x90, 0x1f, 0x00, 0xc0, 0x4f, 0xb9, 0x51, 0xed);

　　宏DEFINE_GUID的实现如下：

#ifdef INITGUID
#define DEFINE_GUID(name, l, w1, w2, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8) \
        EXTERN_C const GUID DECLSPEC_SELECTANY name \
                = { l, w1, w2, { b1, b2,  b3,  b4,  b5,  b6,  b7,  b8 } }
#else
#define DEFINE_GUID(name, l, w1, w2, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8) \
    EXTERN_C const GUID FAR name
#endif // INITGUID

 　　它的作用是为name分配（l,w1,w2,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8）组成GUID。分配之后，name即成为一个const GUID。GetDevicePath()函数的实现如下：

int GetDevicePath(LPGUID lpGuid,LPTSTR* pszDevicePath)
{
    HDEVINFO hDevInfoSet;
    SP_DEVICE_INTERFACE_DATA ifdata;
    PSP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA pDetail;
    int nCount;
    BOOL bResult;

    hDevInfoSet=::SetupDiGetClassDevs((LPGUID)&UsbClassGuid,NULL,NULL,DIGCF_PRESENT|DIGCF_DEVICEINTERFACE);
    
    if(hDevInfoSet==INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        return 0;

    }
    pDetail=(PSP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA)::GlobalAlloc(LMEM_ZEROINIT,INTERFACE_DETAIL_SIZE);
    pDetail->cbSize=sizeof(SP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA);

    nCount=0;
    bResult=TRUE;

    while(bResult)
    {
        ifdata.cbSize=sizeof(ifdata);
        bResult=::SetupDiEnumDeviceInterfaces(
            hDevInfoSet,
            NULL,
            lpGuid,
            nCount,
            &ifdata);
        if(bResult)
        {
            bResult=::SetupDiGetInterfaceDeviceDetail(
                hDevInfoSet,
                &ifdata,
                pDetail,
                INTERFACE_DETAIL_SIZE,
                NULL,
                NULL
                );
            if(bResult)
            {
                wcscpy_s(pszDevicePath[nCount],wcslen(pDetail->DevicePath)+1,pDetail->DevicePath);
                nCount++;
            }

        }
    }
    GlobalFree(pDetail);
    ::SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfoSet);
    return nCount;
}

　　HDEVINFO类型是一个32位空指针，具体的定义在"guiddef.h"中：

typedef PVOID HDEVINFO;

　　而SP_DEVICE_INTERFACE_DATA是一个结构，用来存储设备结构的信息：在"SETUPAPI.h"具体定义如下：

typedef struct _SP_DEVICE_INTERFACE_DATA {
    DWORD cbSize;
    GUID  InterfaceClassGuid;
    DWORD Flags;
    ULONG_PTR Reserved;
} SP_DEVICE_INTERFACE_DATA, *PSP_DEVICE_INTERFACE_DATA;

　　PSP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA分ANSII字符版本与宽字符版本，在该程序中使用的是宽字符版本：

typedef struct _SP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA_W {
    DWORD  cbSize;
    WCHAR  DevicePath[ANYSIZE_ARRAY];
} SP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA_W, *PSP_DEVICE_INTERFACE_DETAIL_DATA_W;

　　接下来的函数调用是：

hDevInfoSet=::SetupDiGetClassDevs((LPGUID)&UsbClassGuid,NULL,NULL,DIGCF_PRESENT|DIGCF_DEVICEINTERFACE);

　　SetupDiGetClassDevs()返回一个设备的信息集。传递的第一个参数是UsbClassUuid，即设备的GUID，第二个与第三个参数为NULL，第四个设置了相应的标志位，返回的设备需要当前存在于系统中（DIGCF_PRESENT），并且设备的接口支持所指定的设备接口类（DIGCF_DEVICEINTERFACE）。通过这个函数调用，hDevInfoSet就指向了当前系统中存在的USB大容量存储设备的信息集。

 

 

附录

VID与PID

 　　根据USB规范的规定，所有的USB设备都有供应商ID（VID）和产品识别码（PID），主机通过不同的VID和PID来区别不同的设备，VID和PID都是两个字节长，其中，供应商ID（VID）由供应商向USB执行论坛申请，每个供应商的 VID是唯一的，PID由供应商自行决定，理论上来说，不同的产品、相同产品的不同型号、相同型号的不同设计的产品最好采用不同的PID，以便区别相同厂家的不同设备。

      VID和PID通常情况下有两种存储方式，第一种是主控生产商的VID和PID，存储在主控的bootcode中；第二种是设备生产商的VID和PID，该VID和PID存储在主控外部的非易失性存储设备中（EEPROM或Flash）的设备固件中，当USB设备连接主机时，如果固件中有设备生产商的VID和PID，会将该VID和PID报告给主机，而忽略主控生产商的VID和PID。所以理论上一个USB存储设备的VID应该是设备生产商的VID，而不是主控生产商的VID，这两个VID应该是不同的（主控生产商自己生产的设备除外）。

      由于VID和PID重复并不会对产品的使用带来严重影响，很多USB设备生产商（山寨厂居多）为了方便，并不会向USB执行论坛申请自己的VID，而是依然沿用主控生产商的VID或随便向产品写入VID和PID；同时，正规厂家只需要申请VID，PID由厂家自行确定，所以存在相同型号的产品，可能采用了不同的主控（商业需要，很正常），而他们的PID是一样的，基于上述原因通过VID和PID就不能准确识别USB设备的主控型号，这个问题大家在使用USB设备的过程中需要注意。

GUID

　　GUID： 即Globally Unique Identifier（全球唯一标识符） 也称作 UUID(Universally Unique IDentifier) 。 GUID是一个通过特定算法产生的二进制长度为128位的数字标识符，用于指示产品的唯一性。GUID 主要用于在拥有多个节点、多台计算机的网络或系统中，分配必须具有唯一性的标识符。
　　在 Windows 平台上，GUID 广泛应用于微软的产品中，用于标识如如注册表项、类及接口标识、数据库、系统目录等对象。

　　GUID 的格式为“xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx”，其中每个 x 是 0-9 或 a-f 范围内的一个32位十六进制数。例如：6F9619FF-8B86-D011-B42D-00C04FC964FF 即为有效的 GUID 值。

完整代码