浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com 6 u. }8 [6 ^7 s6 U" O1 D* ^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

X9 F5 E$ w+ O+ v; P! Z! Z

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。

8 c9 J6 ]" i8 P4 H

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

5 |6 E& C, r+ }

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

3 C6 I) V0 e. L/ O0 _: b

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

+ [; b% W, j& U8 b- D9 Z

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

# n0 z7 U- Q/ U3 T* d. o8 m$ l

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

: ^, u/ r- k) c

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：

mov eax, 38h

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

T: e/ {) v$ `( X

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，

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。

5 h* g8 }) J n1 b# X$ ~, ?

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

/ E: S: M4 }' {8 u+ o! G+ z2 x* q

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

! C& j7 y% U: p5 a8 |

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。

# ^6 F% m3 b# Y$ x) b6 p! ?1 F

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

+ k" z4 L5 m- X$ v9 t: @

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

3 ]7 q; q* r' l$ z

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

2 p! m7 D, ]+ |

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

* t" J. B- v3 F9 o2 ?8 Z

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

. y; |) F- r9 I. ]

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

* f+ T$ j! ?5 z3 h0 _2 H. C) A3 ]

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

- R) n3 p6 J f( A# u# I

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

! N3 P5 F/ C: n6 s( d

{ 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

5 C2 c5 q6 ~4 N# D

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

' a) A! a. W/ d2 G k0 V$ {1 H

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

+ ?+ [& x1 G7 c8 N9 \* o6 L0 N

* 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

4 l: V+ a ~ K

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

$ ?$ Q7 T6 _# U4 L' A( T) J

，只需两行C语言的代码:

2 F7 S: p5 k. e

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

/ z5 P: y! a9 f/ t1 D1 h) ~3 j$ [8 b& ]

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

+ D( q8 ] z8 C

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

% R! n' B6 k1 ~3 k% y3 f

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

& t, {3 Y3 T) S5 W# F2 P, b+ b

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。 , y2 } `' v! t& m" y 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

' h1 P# q. j& a9 [" P6 `

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

4 E p- D% Y B! i$ U2 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：

& L2 N; L; R4 ^0 N8 T: u

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

5 L: H) F* o4 x4 J# i' 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

8 ~$ z$ m' R5 l5 M" }0 J: O: ^0 W! Y

映射至ntoskrnl表格，ID在

8 p) `0 p8 k4 y1 d

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

8 N( }) J" X( q2 I6 W+ k% o; R6 P

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

$ {8 q* r3 B# \. t! I. E. b

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

& j+ d! A, P2 m6 C( S' K

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

0 f8 {8 m% C- c% X _ d

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。

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

* } U2 F! ~: s) f3 j, ^4 j) [5 i/ S! y

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

9 [( M0 X9 I, W8 H+ {9 V

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

8 k0 e2 u! f9 o- ~

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。

+ Z. S9 Q' D8 W1 s6 A

2Eh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

/ [ d) ]. g1 J9 ?2 R" @2 S5 E

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

8 ?) h7 t3 d. `8 e' @

过int 2eh门中转。很显然，这么多的函数不依靠2k的内核。

, l3 P! k( g1 t& m/ j

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

; y, i6 L5 U8 n3 F( Q4 \8 w/ w

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

9 M( w8 d0 x1 C

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

6 U! t6 v& x- q1 V

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。

: J- g( ^& v; ]

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

* @$ {7 W9 f) [, E3 Q1 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

4 m6 a" t: ]' b" K( Y8 t# L

(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

/ h! V! H7 j4 Z4 L' }

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。

( l, f. d' }9 I! H* U

常用数据结构

l 整数

9 Q$ r% q3 k/ p# E& ^# m

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

Z3 i0 X- W+ v7 E. S0 u$ M

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

不同。

! J4 p5 I0 C" D( E/ A* ?- I: l

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

# G$ y% `" j$ ]: A. x/ Y, C

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

! `3 g5 [, H, v# O4 _

80 TBYTE N/A

$ D" N/ l$ Y: g) X

typedef union _LARGE_INTEGER

{- {5 p# r3 v/ d, l8 w

{ struct{

* J# q% y7 s: _$ }

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

}

6 p" N; r6 E9 S

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

- ~) Q& M* g, h# D

struct{

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

3 M& f! p, E' E1 w9 a! O

ULONGLONG QuadPart;

}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{

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 ;

2 x9 c( b9 f' [$ H5 s) N) K$ M

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

2 Z0 L; n- W8 e5 ]% K6 |4 ]

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

' N" [9 X9 m R0 ]

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

3 G6 @! Z0 U# A" r( D

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

) F& C& ], t+ Y0 y' Z9 b

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

" M7 V# u/ ^5 e2 N+ |% X

RtlCopyUnicodeString()等等

l 结构

" c1 V6 f/ X# Q, K+ {/ l% t u

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_*

) _9 p8 W6 z( @# Y Z; B

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

9 [$ ]% E, G* D, Y! \' p) |) g

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

, ~/ V; G( ]( ?+ E

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

' G2 i0 n7 S" ^* }- A

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

. M( e# q$ Y7 P' T( H! j8 V+ W0 {4 a

ULONG Length;

9 D" v& y6 n- p( I) U1 o/ U

HANDLE RootDirectory;

! a: {: n% k* d( U+ [, \

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

- e0 U! \$ ~" |- ~5 W

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

5 x5 K' P6 `; }. T, ?% U* U( U) Z

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

# n; l% p' K* H8 d" C3 c

{

. T1 p, ~; Z/ ?9 g# J

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。

+ c. ~" m/ V) c

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

% @# [2 v/ N. N+ G; o. N

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

8 B6 z0 x3 j9 u M7 \! ~+ C

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:

% V; j. M/ r f. S" q( P( D

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

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。

6 Y5 U$ y$ |5 R5 ?4 | t$ y

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

; }. I' n' o6 c9 W4 H8 @

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

9 n) w/ d2 ^1 M) @8 e

现而SDK中没有的定义可用。

% Y5 ~# x8 S) P0 P

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

* X L S% s5 l8 N" E: i

指导

1 c- p/ ]# N( z