浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com / ?. N. F0 Y5 o+ I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

。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

+ g& f& [" L* ]! }0 C0 c

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

, Z$ h7 w, E$ b3 K

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

( c0 V3 J o4 [# ~! j! N

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

7 M/ h5 b+ ~ q" Z9 o3 `) s

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

+ G# y& p/ n- a9 `$ c) S2 H

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

* @) J' w% ]8 U1 y4 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

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，

% V8 L$ v4 R% _! W9 x4 W; u

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：

# B3 Z( f( V3 n& H

mov eax, 38h

: G* I' K, s/ g. \8 H+ v- a

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

ret 28h

! r' `4 k ?- w* q

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

7 X6 {3 J" z2 |. M* `

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

+ X4 o2 B" ~ Y( C. A: o

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

" r1 b* {4 P. k

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。

; S8 @ o$ b% V* }, `

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

9 |* b4 G& v- K( O, H0 L4 F

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

" g/ L) c5 {) P3 f; F! j

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。

4 r7 i2 r9 r% k6 h, M

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

! x+ ]5 h8 \7 a

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

3 A( l7 o5 ?) b+ M6 g1 [- j

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

$ ]1 U" z# S1 r) m: X

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

3 @- E C# D3 A" T; l: x2 L$ Z- c

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

( |+ O) r! F' B* ^/ Y, j

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

+ u9 C+ \' ~0 I' q! D# ^

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

! ]& y8 v5 h, I- s4 t! {

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

0 y7 z) h7 L+ a* {" y9 k( J6 W0 P* A

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

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

! A. X+ G( K6 I# ^

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

/ U8 e, n% H! _# @

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

* 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

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;

6 i1 b$ Y; R& a+ 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

P' d3 q" S5 V! K: k

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

# Y, y. m: u2 Y5 D, L w

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。 / |" Y+ ]3 Q7 ]% j2 V u 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

`6 m. e+ X7 |. G. }0 ]$ }+ h5 l

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 : B$ d' G# d. ^7 ]/ f 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：

1 } R4 K! U. h& K

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

& l K, d6 m' \" x& b; N8 b

文件中。关于KisystemService的操作如下：

; x9 p% K8 v* S; ?9 G

1 从当前的线程控制块检索SDT指针

: U7 j( e f5 A/ O6 K

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

. v: @; g1 @9 m) x" b t8 O

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

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。

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。

" M/ ?1 M% C+ d: \

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。

6 I- U% ~ U) I1 i) b

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

: j( ?! T$ m0 w% l, R; L

用。)win32k总共包含639个系统服务。

, \$ r4 s- m7 U

2Eh的处理过程没有使用全局SDT KeServiceDescriptorTable。

" u3 ]6 j; \) J) L; a9 ?. k

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

8 X, I( ?& X1 O( @( c/ {

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。

4 J6 C/ t# V3 O8 n1 a

Windows 2000运行时库

! s' s, W& [- m) g+ D

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。

: J6 @, i; {; a! P

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

+ w7 Q/ ?. ~9 @6 Q

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

" P2 ]2 I" ~$ x* T

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

* t4 F' v4 \6 e, r2 g* s- K% e" h- 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

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。

& p! G7 F( _! s# e1 q. N

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。

6 L& h: [1 v9 H* ~; G7 K# N& Z

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

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

! r7 p" G7 q' o. @% F

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)

9 F' I$ G/ S; C) b

，<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。

& C3 T/ O1 \- G1 g" Y9 @- Q

常用数据结构

/ w: J. b) e2 N& R% f4 _

l 整数

: q, ^# U$ C* `

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

7 v8 r7 c2 p2 M4 v9 ~+ D& x- h

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

! U y4 v3 g4 C# w! U

不同。

7 h& J! h% J& M' @

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

, U/ {! l+ R: I0 [! P1 u5 _$ g

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

8 l! b" K1 o1 d3 Y" K

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

) | ?/ v# x% M8 u

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

80 TBYTE N/A

: m9 p l8 x9 X2 n; i" [# I5 i

typedef union _LARGE_INTEGER

8 `" j7 o5 A; w

{ struct{

ULONG LowPart;

' L3 X/ i# R: Y. O O7 G

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

}

* |$ z; v9 u5 I- o( @. x

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

9 C0 v+ D6 |' x4 M* ^. I2 }0 y/ m+ f

typedef union _ULARGE_INTEGER{

6 S- Q! p M t( m f

struct{

6 Y$ t9 c C5 E" {" n! \

ULONG LowPart;

# N3 f5 E# d! e* I U

ULONG HighPart;｝

8 ?5 M0 q& Q% n U

ULONGLONG QuadPart;

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

( g' e; _ t: m; t7 v# ^ w

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

. u4 C. E( V# x+ }5 h

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:

1 k6 Z, r% Z. \

typedef struct _UNICODE_STRING{

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

4 `/ G& r. o, o8 F$ o

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

1 o& a2 t; M; Q1 a* ^$ W. V

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

! `: G2 q& H6 m& \: v9 S K0 J2 d4 D

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

4 T# {4 m0 l7 I1 L

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

; H1 {. b& ], l! s w' d

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

% C0 d3 w/ t, x5 B) m% r, ]

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

RtlCopyUnicodeString()等等

l 结构

" m" v" W; a, F" m

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

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

) y; [7 |$ K) k) t

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

ULONG Length;

6 O+ |$ N# L( n7 _1 @! w4 k

HANDLE RootDirectory;

0 M% n0 J7 ]! S/ a) {

PUNICODE_STRING ObjectName;

7 K3 i0 t' N9 B- D# V

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

- Y, Z% e3 L2 N+ ^' o

PVOID SecurityQualityOfService;

) J- ~! N( F3 H) f! }; `, n

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

/ x8 t* i* i6 d

{

NTSTATDS Status;

$ a P$ T4 A+ w [! \- ]! c5 W

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

3 a4 M- |# w! d! }. E

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

- J; U, a* h/ V; V2 {

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。

+ L1 _# X- s" n8 V

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

0 N h9 e \& t$ D1 K/ v* p# a

{ HANDLE UniqueProcess;

# f! D, ]( m# U a) G( z2 [

HANDLE UniqueThread;

+ C% `. }( ?' f# P8 H$ \% N

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

" q7 a8 f; S% J- m

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:

8 u1 X9 a6 G; | p

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

, c A* _3 H2 q" l' T7 I

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

9 X% a' I0 \7 g. ~

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。

7 M5 N0 J$ B: M! a# H

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

1 w9 n" A% }4 H4 A9 q1 X

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。

$ u. t( [' i3 M: z) m

7 E4 A& E, ^& \4 j* M' d4 V; L# H _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 . M2 J. {& O: s; f4 s" { f