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

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

7 b5 ^ h! A! T; ?9 Q

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

; n2 q7 N- b+ I* o6 n h7 U

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。 2 k* r. p9 e6 f6 m2 T- Z; \% P1 o

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

; k7 g! a4 P+ i( H# L

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

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

1 G* y6 \; t" E

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

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

0 w& K! W3 }& r0 h5 @9 X+ l! R

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，

$ i; A/ r0 Z1 l( L) I

转到中断描述符表IDT位置0x2E处的中断处理程序。

& B, W a+ ]# `/ U) C' `

反编汇这个函数得到：

6 q, e& i0 Y+ U

mov eax, 38h

! p, ]4 w; V" D' y( B" |- B! L# y

lea edx, [esp+4]

# W* d/ x0 v; e# J

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。

9 S) A9 `/ k4 b) ]7 [) ]

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

) `/ i: b2 V" ?

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，

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

$ Z g8 M y* Y& p8 a- E- }: D. _

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。

3 M- l& F; ?# Q- C- u) s& B

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

! K5 L& x2 G2 e" L) [, m" ]

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

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。

8 V* Y, K0 n( e

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

& t9 I9 m7 e4 E

，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。

3 q4 s6 @- Z) ^$ F; X4 _

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

. v8 F& b4 N# }0 B# L" {/ _

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

5 `( Y; }, K: W) a& z

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

% K& u* I' {+ v+ ?3 p5 u

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

$ k8 E+ b! D/ y/ i

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

7 V% }2 p1 N y; G# M, \$ ^

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

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

G( y" x' p0 ?# n

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

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

6 `8 a+ R5 q0 M

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

. B' B2 g9 g* P+ @* r: ]

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

; z8 E q6 y) n7 M

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

3 ?% v7 {8 O% T

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

: ^+ H: t. v1 I! R: }

，只需两行C语言的代码:

2 j% Y! F$ p4 i. z

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

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

( s* ~3 R& P9 r) H, W6 s" _) M

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

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

: ]2 w# w, u6 u/ ^6 ]8 K- c- ?

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

5 T8 ~9 ]$ f5 i! L$ f

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

; x& {1 e9 k6 |: F; m6 S6 U# ]

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 4 d- r( b7 B* v9 i: } 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

^9 F! C2 f+ n- U" b

，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：

5 f+ Z4 s: U, `/ v$ Y

KeAddSystemServiceTable 此函数去填充这些位置。

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

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

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

$ s3 r0 S( f% q

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

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

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

* k6 @0 I3 a7 [, ?5 W+ \, ~: P

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。

. w- A7 }( F+ P2 R+ V |7 o

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

7 控制转到内部的函数KiserviceExit，在此次服务调用返回之后。

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

6 ^, p. T7 r8 g! C

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

# P( L' w% l) l5 w1 ?: [. K0 q

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

用。)win32k总共包含639个系统服务。

5 `3 @) G7 f# E2Eh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

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

+ T' Z3 F+ a' P3 i. O- A1 L

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

, N! T& V0 x( ]( c

Windows 2000运行时库

! ?- L& r8 O6 B/ E: c

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。

$ v. E; J- ~' p: a, _* R5 d1 T

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

" p1 @# L$ s1 J/ j" B

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

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

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。

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

: a7 i4 a) s; k

__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

$ u1 N1 X) I% a6 T. P- J) H9 ^

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

) P$ L3 m. z' E3 j$ g% x" a

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)

" w2 b( G/ @5 Y) S' X }; v

，<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

l 整数

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

2 c; M, m& R3 @6 `) f; S u

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

0 J* X0 y* i5 j5 k6 ]- ]- n

不同。

9 B! m6 ^1 L' V8 b

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR 16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

$ B7 y1 a% q* f7 j% P% C: d/ B8 R

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

+ U: _! l8 C$ D7 ~9 X

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

8 S0 d. h6 C' f2 P* C u: x6 [

80 TBYTE N/A

4 t" l& v2 r# \2 L

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

0 T4 ?5 X( j! J! m' a- N$ m: B

ULONG LowPart;

- ?4 H9 e" X& y$ M

LONG HighPart；};

/ f e/ `% d3 e! T

LONGLONG QuadPart;

}

8 W. b; ?* t( g) x/ ?* n2 W3 ^

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

& g8 X: }! ?3 M: B7 @' m9 C0 d0 c

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

% r/ ~- [4 u- v

ULONG LowPart;

e" u# ]6 ?/ e4 {

ULONG HighPart;｝

ULONGLONG QuadPart;

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

l 字符

2 Z$ G+ H/ o I( m

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

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:

typedef struct _UNICODE_STRING{

" M& s/ m& }' M4 Z: ]

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

5 d* V: z5 m4 O: D7 o" X% A* r# v

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

typedef struct _STRING{

: b9 N. k7 o& s. G4 W

USHORT Length;

! V; p- s; `* L) S( X4 c

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

0 ]4 E4 }) q% s6 Y9 n# W9 i& O

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

2 N% m/ x- U1 l; V. J2 l8 `

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

RtlCopyUnicodeString()等等

) h( u7 S& U. t) \5 ?" P' \: K

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_*

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

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

! |& E2 L7 Q: x( E4 t' I% b

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

# F( G- E! V$ u

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

, g6 I. ~" y, f, Y. n* E' x7 [

{

0 y+ \% Z! S9 G- h, a

ULONG Length;

1 C/ t# g" ^+ ^

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

9 J7 Y7 P* U* A0 C! O3 R2 a

ULONG Attributes;

: f0 F: h' X0 ^5 F

PVOID SecurityDescriptor;

; X5 `9 x# t9 \3 e' T" ?

PVOID SecurityQualityOfService;

8 Y! W' Y7 M9 [( r; Q: f& `8 _

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

1 \* m( ^* h' t+ G

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

, {/ w4 f* O7 S2 d1 R5 r& L' `

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

( J& Q: T# ~3 g6 N

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

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

4 }! M% W3 @6 }4 t" x3 N' s

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

- ~& J! R! i0 `# M" C6 n

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

# p3 d: ^0 S* ]/ a4 J, h% G

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

/ `3 i1 l3 M& s( [- j) m

HANDLE UniqueThread;

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

1 i" U! W0 `# l( Y

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

1 i- B6 l, p3 ~# a$ B) @8 H/ O6 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

# U1 @4 u% V6 n+ o5 j! Z* ~" c

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”)

0 s4 J1 x, U) M4 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

3 J$ K& w: v3 G) B! b/ d, q

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

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

* i" f4 @/ E' ?" g8 B T; l

现而SDK中没有的定义可用。

; m$ E# h4 f7 F' f# j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

指导 0 ~" \: P x3 {% g

% o% X6 e2 R& a& a