浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com + O+ W" z: N1 y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

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

# P! M6 v, V- ^8 @/ {5 Y! n: m

。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

1 O7 D6 L* T# F& d

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。

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

7 F5 E* m- r4 v) Y5 w

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

: Q2 l }. I; S* r* c. R; e

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

( F3 m6 R5 L9 e2 u' w

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

! ^' V; z' A$ {9 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

7 p( f: E; K( P; b/ z

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

- p; q* J7 c. C0 ~# k" n% d0 Q

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。

5 l( V$ q) i% m

反编汇这个函数得到：

mov eax, 38h

lea edx, [esp+4]

0 i9 C, l( N/ S# ?: x

int 2Eh

ret 28h

0 v5 D' D: ]4 C7 V; Z) {

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。

8 L( b5 N: p5 x0 b# `( n

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

: c2 N/ L+ `! U4 U* {+ l

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，

: n' j. a% ]' F9 s" {% }

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

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。

+ A" I4 ], X" V' l2 ^

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

9 O8 [! @7 \4 u! _5 W7 _8 Z

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

9 O) |3 w# ^6 l5 i9 a5 [9 I) t

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。

+ ~! m0 M5 k" [

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

{ Z: Y ~6 l( x4 [' d

typedef NTPROC *PNTPROC；

. E" t7 D T) C+ [( f' i0 o* l B+ R: _

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

) F5 v7 Y7 C- N/ h) e; m

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

* |4 w; z) @& G+ F5 Q# j

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

2 Q6 w- B6 M* J3 N. J, P0 g

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

* }# }! W9 w0 E, I

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

# a+ ~% r& @/ Z+ t

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

! @% @- Z J7 \: @- }* {

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

: a4 F* Q- T. U' X' G/ [

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

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

9 D0 T$ L: ?' y

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

5 Y5 w) b7 }/ ^+ Q% l0 t

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

# W3 A. n6 ~- ~1 E2 t: J

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

6 g) b7 A6 L8 T

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

+ s u/ ]6 H7 F0 |

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

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

) R# C. r9 k7 }, f

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:

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

5 g. a5 v; O8 b5 i2 @

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

9 H( Q$ e1 p! F2 L G

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

3 m: W7 Y9 d* d. c4 Z

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

! l5 u3 ?6 N0 ]- t

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

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

1 t% t d+ @% s; O% z* \; w# A, 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

- @+ X- r2 Z% s

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 ! E' L) D' ~! m& z( X! x 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

% g7 ^# |0 o1 j5 j

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 + x: ?% f* T# K6 j" t8 h+ Q3 ?此函数去填充这些位置。

( g3 C, Q3 W+ n# I; ]

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

$ ~' d4 u' C4 C. b8 u

文件中。关于KisystemService的操作如下：

% H( y! p) |# W" J2 C

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

# p1 F0 w7 o/ h* R

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

7 S, @. i1 V& v# M( j7 S# X; U

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

* Q" Z7 a1 O0 g+ x& F

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

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

/ s' R. P9 ?+ p( _/ R

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。

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。

' l: ?) g6 D1 `5 r) J+ H

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

- t" q: E- \6 Y( u2 ?$ M7 Y2 G

7 控制转到内部的函数KiserviceExit，在此次服务调用返回之后。

/ B2 k5 P# H$ m% u9 N2 \' D- 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

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

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。

! A# R# X/ t3 _/ d) Z, S; w

3 s8 x1 R7 s/ v R2 o8 `. p2Eh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

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

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

7 m: g% R& f2 ~0 Q5 x& M% K

过int 2eh门中转。很显然，这么多的函数不依靠2k的内核。

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

$ p* Q* |5 i e: s9 f5 _+ ^

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

% `5 `+ a4 \- G! d

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

8 ^9 d+ F4 V% z; R* M+ }! r

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

7 ~3 ~! W: F# P

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

8 _# v1 ~* L, l6 ]! i7 Q

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。

' f% m; X! T9 x8 Y9 R- T

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

__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

( E. s3 M! q! q

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

" A/ @9 Y8 r* D3 t u4 o

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

D7 }, I* O! R# V: [

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

0 d8 m$ |& r2 H$ E& c) V

(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)

，<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

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

: n4 D: E2 f( x9 J

不同。

2 E8 \3 ]/ m. c$ i

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

. \4 }/ v6 O @7 l$ z0 `# A) v! D' z

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

* M8 |3 R$ I0 P# X3 J% c+ a

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR 6 x# G+ ], I/ m/ V* ]9 Z- g) W/ T16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

9 M0 e8 X" K( [0 H

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

0 s& s/ w# j2 N, N6 M

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

3 X( K1 |0 B( B! k, F

{ struct{

& R0 g9 H. E T9 v" j

ULONG LowPart;

* V0 R* A5 Q% n$ o

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

Q. c/ }, x1 D. q( C! Y

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

+ Y& ^ E* g1 k2 A

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

9 K/ t& u8 O1 c! Q8 [

ULONG LowPart;

9 B1 D5 c6 ^$ j; \8 z

ULONG HighPart;｝

7 P! I+ ] E) H9 s9 x" G

ULONGLONG QuadPart;

! V! D+ O+ N5 `

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

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

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{

6 g) M6 I* ~4 U/ V% |

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

! Z! Y+ x0 O- Z

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

( N( q9 M0 ?( Z' i" ~8 l

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

( H2 v( v% D2 z. Z

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

4 ?( A' Y! d* K

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

9 C7 h( G" W( Q

RtlCopyUnicodeString()等等

& n2 G3 e% Z6 ~: _$ c

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

! d4 W0 T! U; g( }

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。

9 n2 S9 B2 O. O& r7 _) k/ P

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

) p; ^/ W& T% Y4 @% d. q1 B: \

PVOID SecurityDescriptor;

8 l4 o$ j* u- b2 m9 S/ P& D

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

2 V6 s% R" j( N; I( @) H: x

{

NTSTATDS Status;

7 Q. f" c; p; Y. w/ T* q

ULONG Information;

7 {; n7 y9 j, I2 Q+ j/ \

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

{

& `5 s B) T" T0 A

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

}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

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。

# y5 v0 y; k- c9 T6 p+ H

typedef struct _CLIENT_ID

Y; d" f" x0 A, Q1 r

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

9 c$ O. y; w/ l+ r @% z8 L, I

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:

: ^2 ^; E6 l+ O. S) p& m

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

8 D! f/ Y* a+ C. |" ]

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

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

4 ntdll.lib没有包括在VC的默认导入库列表中。

) q, X& q( x- w

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

$ M A4 V( \2 j2 [3 M& k

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

( G3 k l% M4 \0 t- ^

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

现而SDK中没有的定义可用。

% ^. x3 }* S- s9 J- x

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