浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com 来源：邪恶八进制 中国

3 u7 _8 A- d7 m2 V

此文只能说是一篇笔记，是关于本机API的.本机API是除了Win32 API，NT平台开放了另一个基本接口。本

# j4 a" K4 ` @* E

机API也被很多人所熟悉，因为内核模式模块位于更低的系统级别，在那个级别上环境子系统是不可见的

。尽管如此，并不需要驱动级别去访问这个接口，普通的Win32程序可以在任何时候向下调用本机API。并

_+ w% U8 B& L j

没有任何技术上的限制，只不过微软不支持这种应用开发方法。 ; C6 [' a/ Y0 {

# c9 G% O" T& O6 p# ~

User32.dll,kernel32.dll,shell32.dll,gdi32.dll,rpcrt4.dll,comctl32.dll,advapi32.dll,version.d

ll等dll代表了Win32 API的基本提供者。Win32 API中的所有调用最终都转向了ntdll.dll，再由它转发至

ntoskrnl.exe。ntdll.dll是本机 API用户模式的终端。真正的接口在ntoskrnl.exe里完成。事实上，内

核模式的驱动大部分时间调用这个模块，如果它们请求系统服务。Ntdll.dll的主要作用就是让内核函数

L- ~9 q. P t" X4 z% i1 o* V

的特定子集可以被用户模式下运行的程序调用。Ntdll.dll通过软件中断int 2Eh进入ntoskrnl.exe，就是

/ J7 n1 U9 c$ Y

通过中断门切换CPU特权级。比如kernel32.dll导出的函数DeviceIoControl()实际上调用ntdll.dll中导

出的NtDeviceIoControlFile()，反汇编一下这个函数可以看到，EAX载入magic数0x38，实际上是系统调

. }! P3 _* o M5 F+ X/ {1 ~5 l/ g

用号，然后EDX指向堆栈。目标地址是当前堆栈指针ESP+4，所以EDX指向返回地址后面一个，也就是指向

在进入NtDeviceIoControlFile()之前存入堆栈的东西。事实上就是函数的参数。下一个指令是int 2Eh，

转到中断描述符表IDT位置0x2E处的中断处理程序。

反编汇这个函数得到：

' f- I7 H1 H( c) i: W

mov eax, 38h

`0 a7 l4 T' W( Y

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

ret 28h

当然int 2E接口不仅仅是简单的API调用调度员，他是从用户模式进入内核模式的main gate。

W2k Native API由248个这么处理的函数组成，比NT 4.0多了37个。可以从ntdll.dll的导出列表中很容易

认出来：前缀Nt。Ntdll.dll中导出了249个，原因在于NtCurrentTeb()为一个纯用户模式函数，所以不需

要传给内核。令人惊奇的是，仅仅Native API的一个子集能够从内核模式调用。而另一方面，

! O2 x6 k1 B, n

ntoskrnl.exe导出了两个Nt*符号，它们不存在于ntdll.dll中: NtBuildNumber, NtGlobalFlag。它们不

8 ^# v' h! v5 i

指向函数，事实上，是指向ntoskrnl.exe的变量，可以被使用C编译器extern关键字的驱动模块导入。

Ntdll.dll和ntoskrnl.exe中都有两种前缀Nt*,Zw*。事实上ntdll.dll中反汇编结果两者是一样的。而在

ntoskrnl.exe中，nt前缀指向真正的代码，而zw还是一个int 2Eh的stub。也就是说zw*函数集通过用户模

, |/ T5 }: b0 {2 k1 n

式到内核模式门传递的，而Nt*符号直接指向模式切换以后的代码。Ntdll.dll中的NtCurrentTeb()没有相

对应的zw函数。Ntoskrnl并不导出配对的Nt/zw函数。有些函数只以一种方式出现。

2Eh中断处理程序把EAX里的值作为查找表中的索引，去找到最终的目标函数。这个表就是系统服务表SST

，C的结构SYSTEM_SERVICE_TABLE的定义如下:清单也包含了结构SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE中的定义，为

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

+ C: S4 H: J: `. a+ ^6 j* f: D( S

typedef NTPROC *PNTPROC；

6 {& c+ d$ Y7 x

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

" g. X4 A" t* o/ g, w

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

# t' | G* o4 ]& P. {6 [% ^

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

4 D7 b" ?" F* t" U' f

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

7 d! [$ T/ r- g. N1 }3 f$ [4 |

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

6 s& @7 [5 g, ]' ?: k8 W

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

- |) u9 J' g+ z/ a6 E: S

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

/ / _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

# c3 |5 b1 z+ P2 I o2 h* T

{ SYSTEM_SERVICE_TABLE ntoskrnl ; // ntoskrnl所实现的系统服务，本机的API}

4 Q0 Q! t# e& K

SYSTEM_SERVICE_TABLE win32k; // win32k所实现的系统服务

! O+ y0 R5 {: Q, ?2 X3 Y1 f6 n

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

( G8 i' J* T- y9 \6 D8 T2 z' E

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

. w5 E* m. ~+ y, p5 a1 S! W) B

ntoskrnl通过KeServiceDescriptorTable符号,导出了主要SDT的一个指针。内核维护另外的一个SDT，就

是KeServiceDescriptorTableShadow。但这个符号没有导出。要想在内核模式组件中存取主要SDT很简单

，只需两行C语言的代码:

" q" F3 V# b: H% H# y2 z7 X# ^

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

9 U$ n8 b7 [: c! k2 v

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

NTPROC为本机 API的方便的占位符，他类似于Win32编程中的PROC。Native API正常的返回应该是一个

NTSTATUS代码，他使用NTAPI调用约定，它和_stdcall一样。ServiceLimit成员有在ServiceTable数组里

$ K- ^2 J* ^6 F/ J* D0 A7 y

找到的入口数目。在2000下，默认值是248。ArgumentTable为BYTEs的数组，每一个对应于ServiceTable

6 r* x I; j( J* Y# y

的位置并显示了在调用者堆栈里的参数比特数。这个信息与EDX结合，这是内核从调用者堆栈copy参数到

& L9 t- \) l3 F4 n4 l7 i3 W/ ~. q" I

自己的堆栈所需的。CounterTable成员在free buid的2000中并没有使用到，在debug build中，这个成员

指向代表所有函数使用计数的DWORDS数组，这个信息能用于性能分析。 可以使用这个命令来显示:dd KeServiceDescriptorTable，调试器把此符号解析为0x8046e0c0。只有

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 - v* |; v# U/ P9 [0 }; ~ 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

内核维护的第二个SDT。主要的区别在于后一个包含了win32k.sys的入口，前一个却没有。在这两个表中

，Table3与Table4都是空的。Ntoskrnl.exe提供了一个方便的API函数。这个函数的名字为：

KeAddSystemServiceTable $ [, X8 T) A! z# g9 A: l9 E- }此函数去填充这些位置。

9 L" c3 l, X5 _5 p5 ?

2Eh的中断处理标记是KisystemService()。这也是ntoskrnl.exe没有导出的内部的符号，但包含在2k符号

5 @ W( ?9 E6 V/ `) m0 g

文件中。关于KisystemService的操作如下：

1 从当前的线程控制块检索SDT指针

2 决定使用SDT中4个SST的其中一个。通过测试EAX中递送ID的第12和13位来决定。ID在0x0000-0x0fff的

映射至ntoskrnl表格，ID在

0x1000与0x1ffff的分配给win32k表格。剩下的0x2000-0x2ffff与

7 s/ h9 l* P2 t3 [

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

3 通过选定SST中的ServiceLimit成员检查EAX的0－11位。如果ID超过了范围，返回错误代码为

( l% `0 o2 s9 ?

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

5 T! a* {) c$ T

4 检查EAX中的参数堆栈指针与MmUserProbeAddress。这是一个ntoskrnl导出的全局变量。通常等于

9 a( J; }1 o" C: {' g- c4 M

0x7FFF0000，如果参数指针不在这个地址之下，返回STATUS_ACCESS_VIOLATION。

5 查找ArgumentTable中的参数堆栈的字节数，从调用者的堆栈copy所有的参数至当前内核模式堆栈。

0 ?+ Q/ m: V7 U/ i0 \3 b" H! A

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

+ Z* t, V# i, K: D, R

7 控制转到内部的函数KiserviceExit，在此次服务调用返回之后。

, C8 H8 P/ r; n( L" p; h

从对SDT的讨论可以看到与本机API一起还有第二个内核模式接口。这个接口把Win32子系统的图形设备接

' A A( Z! C4 C# a6 v6 [* y

口和窗口管理器和内核模式组件Win32k连接起来。Win32k接口一样是基于int 2eh。本机API的服务号是从

% z* B6 ^4 H: r$ X3 \' W

0x0000到0x0fff，win32k的服务号是从0x1000到0x1fff。(ddW32pServiceTable认定win32k.sys的符号可

, Z: ~% @* [: @- z* P! l

用。)win32k总共包含639个系统服务。

; \0 Y \ m' n

' j+ A3 ~7 n1 D% ^4 M( Q- c' d* o J$ U2Eh的处理过程没有使用全局SDT KeServiceDescriptorTable。

而是一个与线程相关的指针。显然，线程可以有不同得SDT相关到自身。线程初试化的时

; }# m$ \# @# k& z# `7 m$ ^0 T

候,KeInitializeThread()把KeServiceDescriptorTable写到线程的控制块。尽管这样，这个默认设置之

后可能被改变为其它值，例如KeServiceDescriptorTableShadow。

: F! w. \( T: R! ^

Windows 2000运行时库

Ntdll.dll至少导出了不少于1179个符号。其中的249/248是属于Nt*/zw*集合。所以还有682个函数不是通

过int 2eh门中转。很显然，这么多的函数不依靠2k的内核。

; h6 T4 `, x/ G6 D5 z% @

其中一些是和c运行时库几乎一样的函数。其实ntoskrnl也实现了一些类似Ｃ运行时库的一些函数。可以

通过ddk里的ntdll.lib来链接和使用这些函数。反汇编ntdll.dll与ntoskrnl.exe的Ｃ运行时函数能发现

，ntdll.dll并不是依赖ntoskrnl.exe。这两个模块各自实现了这些函数。

# x2 B, q; t# N; r- o, Q' Y- C1 _' M

除了Ｃ运行时库外，2000还提供了一个扩展的运行时函数集合。再一次，ntdll.dll与ntoskrnl.exe各自

实现了它们。同样，实现集合有重复，但是并不完全匹配。这个集合的函数都是以Rtl开头的。2000运行

2 q* M& @% D3 w% F1 _0 ^4 L9 c. q4 w

时库包括一些辅助函数用于Ｃ运行时候无法完成的任务。例如有些处理安全事务，另外的操纵2000专用的

数据结构，还有些支持内存管理。微软仅仅在DDK中记录了很有用的406个函数中的115个函数。

Ntdll.dll还提供了另外一个函数集合，以__e前缀开头。实际上它们用于浮点数模拟器。

; u% j' u9 M, [, o) Q

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

! K6 |. i, C, g% Z0 Z

__e(浮点模拟),Cc(Cache管理),Csr(c/s运行时库),Dbg(调试支持)，Ex(执行支持),FsRtl(文件系统运行

时)，Hal(硬件抽象层),Inbv(系统初试化/vga启动驱动程序bootvid.dll),Init(系统初试

化),Interlocked(线程安全变量操作),Io(IO管理器),Kd(内核调试器支持),Ke(内核例程),Ki(内核中断处

理),Ldr(映象装载器),Lpc(本地过程调用),Lsa(本地安全授权),Mm(内存管理),Nls(国际化语言支持),Nt

(NT本机API)，Ob(对象管理器),Pfx(前缀处理)，Po(电源管理),Ps(进程支持),READ_REGISTER_(从寄存器

地址读)，Rtl(2k运行时库),Se(安全处理),WRITE_REGISTER_（写寄存器地址）,Zw(本机API的替换叫法)

# ^( p9 s6 _) e! W

，<其它>(辅助函数和Ｃ运行时库)。

当编写从用户模式通过ntdll.dll或内核模式通过ntoskrnl.exe和2000内核交互的软件的时候，需要处理

很多基本的数据结构，这些结构在Win32世界中很少见到。

常用数据结构

1 C* L4 }# {7 D" @

l 整数

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

MASM的TBYTE是80位的浮点数，用于高精度浮点运算单元操作，注意它与Win32的TBYTE（text byte）完全

! j% |: z- n5 x* v/ e' j* i

不同。

5 ^/ V3 a5 F; f1 ^5 U$ o+ \8 l

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

, J \) N+ [+ U3 P6 Z; S

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR # Q7 _3 G, f9 M( h' b: T7 o16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

6 T7 ^4 R: T: Q. q% r! n. I% e9 A

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

$ {7 ~" E/ w! W7 K

{ struct{

% L- I' B: i! } ^

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

' z4 U, g/ k* h% J

LONGLONG QuadPart;

}

( y4 h8 W/ o' d& V# L' C

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

k0 W' j/ A X6 ?$ [4 y# d8 F

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

' N: U( t" A2 m1 { h& S1 T+ _' b# V

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

ULONGLONG QuadPart;

6 G% }' F2 R1 ^

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

1 f% O2 m5 W. m( n$ l& \' H! B

l 字符

Win32编程中PSTR用户CHAR*，PWSTR用于WCHAR*。取决于是否定义了UNICODE，PTSTR解释为PSTR或者

2 U% S. P1 _" @, J: Z

PWSTR。在2k内核模式下，常用的数据类型是UNICODE_STRING，而STRING用来表示ANSI字符串:

8 K, h$ f& M( U6 `4 F3 _

typedef struct _UNICODE_STRING{

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

3 O% B& R" t% X" H# F

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

p1 U3 Y. ^/ a* G0 Z) ?

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

* R8 b2 u- [3 e* o

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

}7 B" H4 j# g! ~

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

0 Z: U2 t- M" F* d- p% y

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

操纵函数:RtlCreatUnicodeString(),RtlInitUnicodeString(),

RtlCopyUnicodeString()等等

( E H1 b C; Z3 t

l 结构

许多内核API函数需要一个固定大小的OBJECT_ATTRIBUTES结构，比如NtOpenFile()。对象的属性是OBJ_*

* k4 W0 F9 r, g9 k

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

7 x' H( s0 w: p% N- t- m8 R2 \& W0 B

IO_STATUS_BLOCK结构提供了所请求操作结果的信息，很简单，status成员包含一个NTSTATUS代码, 如果

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

6 c: X/ z: s2 T* J C% D% x: d

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

: W" u/ p4 v+ C

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

: G1 e# ~8 }7 \1 b' {, @

ULONG Length;

- r, O" a) S. s# u: e) _# U

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

5 @$ P( J$ |5 ^2 ]% m4 v; }' p

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

& \* u9 M6 R' P# m

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

# b# B* {4 a4 i

{

NTSTATDS Status;

3 t- z* U4 N4 g: ^7 i* F% }2 O8 ]4 d

ULONG Information;

4 |1 h) b+ T, K6 v% @: n4 F" f; a

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

! @: Z2 H, Q1 n- r: r/ a, _4 b/ T

{

$ Z4 o8 r" m* [ f2 y, B" d

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

9 ?; w: \; L( P( g9 @" j

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

* N2 b! J: Z6 [ v/ q D

双向链表的典型例子就是进程和线程链。内部变量PsActiveProcessHead是一个LIST_ENTRY结构，在

, B3 p8 o P. i w; }7 X

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

) }- k% X) {* E8 V* z2 L

typedef struct _CLIENT_ID

" h h4 F8 |5 x* f7 k' N `) t

{ HANDLE UniqueProcess;

3 b" \1 l+ Q9 Q; |: S& V# l# T

HANDLE UniqueThread;

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

) t# `+ ]0 j: M+ E: ?( n6 Y7 H

想要从用户模式调用ntdll.dll中的API函数，必须考虑到以下四点:

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

2 这些函数使用的若干基本数据类型没有包括在SDK文件中

6 X5 B: w8 w: D0 D6 c7 n

3 SDK和DDK头文件不兼容，不能在win32的c源文件包含ntddk.h中

: P& z, V7 K7 d. n2 K8 P* D# O9 u

4 ntdll.lib没有包括在VC的默认导入库列表中。

第4个很容易解决：#progma comment(linker,“/defaultlib:ntdll.lib”)

3 [7 n0 h" m$ c; M

缺失的定义比较难解决，最简单的方法是写一个自定义的头文件，刚刚包含需要调用ntdll.dll中函数的

定义。幸运的是，已经在光盘的w2k_def.h文件中做了这个工作。因为这个头文件将用于用户模式和内核

7 [# Z0 ?& {) L: s9 G0 X- e

模式程序，所以必须在用户模式代码中，#include<w2k_def.h>之前#define _USER_MODE_，使得DDK中出

6 e9 ~5 W" m# g/ Q' H) _

现而SDK中没有的定义可用。

本文部分翻译于一篇电子书<win api about>.也感谢朋友GameHunter这位英语极好的朋友帮忙.与Free的

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