浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com ! L& J6 ^/ @* U# ]& {来源：邪恶八进制 中国

Y& M+ x$ ~7 J3 j& R. [5 g

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

, a- y# X s& V9 v% H6 _; S

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

/ V8 E$ K: j6 P; `# H

。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

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

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

2 d4 l! }9 e0 L% J1 G

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

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

. t5 b* f {, z: E! c$ Y, m

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，

0 t Y C+ z" F5 g8 ]

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：

mov eax, 38h

* a) D" K- @3 u

lea edx, [esp+4]

4 J' x2 m0 h( r$ Q1 J9 S& b0 z# n

int 2Eh

- Y5 W/ s0 Z7 v- T% C" z8 G

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，

3 w' }( G7 q+ P* q

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。

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

3 A* F% g v9 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。

2 X; D7 _. i0 ~! v$ E O: d

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。

$ z0 {+ _& B- |8 i: I; s% v7 O

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

# N. C, Q1 a3 ]* g6 b8 A

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

% q, b" E$ M! V0 A9 A! o

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

; ^# D7 _5 Q$ a5 ^2 N

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

0 d. O( o" S" Z

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

; R6 Y2 M3 C+ a2 Z

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

9 J' O6 E' f/ F

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

+ R5 O5 }" k( ]" h8 I

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

9 ]9 J4 v w( W5 E' u2 d/ v

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

; M+ U# x1 g7 H! ]

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

9 i* L* Y1 Q2 M

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

+ U; \# q0 V2 s1 V5 u

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

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

4 w3 H) q+ t+ H& m Y

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

" c. i- d7 M( Z! u

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

0 H t, Y4 Z: C

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

+ q* `7 A5 \. R u7 P" ^9 g

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

0 j7 `9 Z- \6 s) A

，只需两行C语言的代码:

( R8 v! |, t% @, I, p5 g1 ~9 H0 j9 r

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

+ P& C4 h2 N z- F3 t6 s, N5 t

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

^$ L, G+ Q- N3 v* ^- s/ R

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

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。 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

# \! I5 i% X0 c

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 此函数去填充这些位置。

, f! g L% Z0 H. c; J2 Z8 b" G

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

! ^* j( H1 f0 B |3 A9 H

映射至ntoskrnl表格，ID在

! X6 z. ^2 r8 x! _+ q% w

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

* J5 V7 i5 H" c9 y

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

1 C4 m; H6 Z6 X. D) D& W v; @

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

: ^3 N1 h( o7 s& p) d' A

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

5 X9 \- I7 E" `, t3 [

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

$ }1 S" }! k0 f- r& P

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

- S( |% Y% u8 ?% E

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。

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

9 |. j% H& E0 c

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

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

4 W/ l3 k5 g/ P% @) y* }& N3 s9 b

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

9 n4 R& Z5 h: t+ g) J( l

用。)win32k总共包含639个系统服务。

O# U6 f9 ]( A" ~0 _

) b" K* ]6 @8 n. K! N2 D2Eh的处理过程没有使用全局SDT KeServiceDescriptorTable。

$ e' Y. a4 \. T! S/ V% s

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

7 x! z% ~ b# B+ j* y' M5 o

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

% ~* r% W3 x+ o

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

9 Y4 D4 G# u- U. f0 R* j

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

" z/ L+ ?0 |7 }! t8 v

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

X1 O0 q9 Q- ~

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

5 Y2 g7 ^5 x" W/ R3 l% G

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

1 S( L/ V8 j0 `: |9 ~0 F

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。

3 g% D8 f$ r% ~+ A+ j* D( x

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。

. K l& V* m: C; d7 y, c) S

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

& @9 ~( D$ k6 W/ ?8 L

__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

: l( ^5 d3 N; N

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

& G5 S# w3 k6 w3 o3 I# r

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

: x8 |9 g3 B+ N& h

(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

0 |* G. x! `4 y- D

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)

3 _2 ] l9 }+ C6 ^ j

，<其它>(辅助函数和Ｃ运行时库)。

' s) n1 R# c `: H! h* W

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

, D5 B U9 M4 ~

很多基本的数据结构，这些结构在Win32世界中很少见到。

7 l+ @( R% E0 L' `0 m9 k# _

常用数据结构

% ?; H: p7 }3 `9 A

l 整数

; {- E/ k- S4 O8 s

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

" G" m- A- ^) S: c* k

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

% l( O y2 K% ~9 F# C8 Z# L8 @% }

不同。

, ^; _0 C0 r2 v

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR 0 r* G% ~: L% c# l3 I" |0 B7 P16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

7 C3 v ], W* z

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

) I% m: p9 F6 e: J! d+ }

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

80 TBYTE N/A

) z6 a; O/ d9 ]7 L, V+ e5 u+ _$ m

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

2 F- j v6 O7 }; r2 c

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

5 a) B; K/ B; _- c

typedef union _ULARGE_INTEGER{

" B r& v$ {' z& _+ w$ v

struct{

! L6 n2 L4 ^- a( \8 t& N& |: K1 Z

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

, p6 L' g4 N F* ?7 k; t) }

ULONGLONG QuadPart;

B( B) N: }+ h I

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

l 字符

2 N6 f1 f. K- D* ~# I7 [* t

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{

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

4 Y: o0 ]/ M( H7 D3 [

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

( e0 v T( E: Y! G5 l

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

& X6 }* m4 X' f6 Y) n" b- G( ?7 L) k' ^

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

6 p3 Y& v2 _! s3 J; S

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

1 h; C* ^& c% P& V

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

RtlCopyUnicodeString()等等

- [* \1 F T3 p9 h. H$ h' B

l 结构

$ F7 K! [# p1 ~( I( B4 N! \

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_*

% S& |+ A+ p" j) u# D9 l; P

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

6 ] D% m& d A6 _' M' `9 \3 |8 j

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

) P* O0 @8 A5 v; J2 b! N

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

. e% d& f- Z; F; r, y8 ^# M

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

+ R6 R$ C- g4 R! z3 I6 Z- G

{

ULONG Length;

4 {& F$ i3 Y8 y2 {6 s

HANDLE RootDirectory;

# ^. @/ K9 t; t8 q3 H

PUNICODE_STRING ObjectName;

1 N: D3 o+ ~& K* e

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

" m; e) |9 b' L) c7 V

PVOID SecurityQualityOfService;

7 w$ ?* R3 s' t: f0 i

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

7 _4 M$ b. j/ h; Y$ ~( f# ^

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

, _, h. h) F& N5 Y B

{

5 m* m) A: z# H5 `, }9 K+ M

NTSTATDS Status;

5 W: Z) D0 n4 W0 G

ULONG Information;

3 U" c9 E. h7 [& M; a- [* h& I

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

$ \9 z" f1 X( m- [

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

! g- r) @* E" f( C' E# 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。

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

$ ^" M, O: x4 v

HANDLE UniqueThread;

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

2 P5 w$ i" O! ?* V& R- E8 l2 j

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:

* J4 S4 p; L# d9 C9 ^

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

4 C; v: A; U$ R9 o; p

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

" F8 o& f- j- q! {5 ~$ X+ B7 x* P6 K

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。

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

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

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

7 s) Q. b) @' H- w

现而SDK中没有的定义可用。

: ^8 @* l; a% ~2 a% ]& U

& I4 h! R( O; @' z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

8 z, W# f) s0 F- w. Y$ E/ w

指导