浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com * s: B% ^ p" Y( s6 ^8 A9 M来源：邪恶八进制 中国

. r- m, [, C5 J9 T: F+ O1 s

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

& S% t/ Q3 L$ Z4 c& @ Z/ |; B$ ]' d; ~

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

1 l8 r) Q7 I8 r1 r+ b- v

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

" Q: d, D- y, x \( E

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

; R: H+ D$ ~- J7 P; Q( U

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

7 U; ]3 }0 W$ x |

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

B3 A- s' N! G9 r% E+ n$ q0 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，

- m0 t9 @6 k8 L4 ]; e. z9 ]

转到中断描述符表IDT位置0x2E处的中断处理程序。

! J7 S R$ [. a3 a4 n; l7 {

反编汇这个函数得到：

mov eax, 38h

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

+ v* O0 U, Z4 h1 E g7 V. Q/ s4 T

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

% O; m0 D2 [4 a+ s+ }" L( I" U

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

) Y9 a% y& s; s# ~

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，

! b3 M. `" S: t0 U7 D) @

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。

4 a, g4 e$ Y7 p

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

2 E8 N, e( o6 t9 o2 H

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

% c/ T; t) T! V$ D& f

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

+ u, i! S6 `' a" A; d2 F" A3 U

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。

1 S+ e0 r! d- N6 q2 _! A# b/ Q

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

$ m; h9 U* s. r8 b% Y

，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

Y" D' V0 B* V- V& \$ d

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

# D* E8 [& a7 r

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

/ O5 A9 n4 O D1 Y( v) S

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

- i6 S& t* j X! j- T: X

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

; w- _* G- x6 m0 k8 x

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

0 j T* J. e, I

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

} 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;

) U5 q& c- B* {9 B/ V% F9 \: c# |1 F

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

$ C/ C5 t4 W3 {( k

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

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

# |- o! d8 u( J7 e

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。 * {1 ?3 v3 |6 \' ]! Z/ l 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

& }% I8 y1 l8 y1 \1 y

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 # G& J. R6 O& T, J$ X1 C+ F$ d/ ^ 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：

/ M/ {9 @0 o% v- M \7 \

KeAddSystemServiceTable 8 S+ D$ _& X% n此函数去填充这些位置。

, P/ q" P* }! a2 B

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：

5 O v: W9 W, }

1 从当前的线程控制块检索SDT指针

) U; V& x, u: q6 N' n0 O. h' |

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

# n6 @" T5 B9 `8 Q& ~7 x

映射至ntoskrnl表格，ID在

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

- v! g) [1 D' R

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

% L/ \: z" k! W8 Y" T9 [# |

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

" o2 r* H* k' f* ^

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

% G* A) ^ I, n0 H. j

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 m: m/ L) H3 g; W

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

' p, S; l* T$ d7 q+ u

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。

7 控制转到内部的函数KiserviceExit，在此次服务调用返回之后。

: n! `! w- |/ V# l+ ~! Y' f/ v

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

6 p2 d/ p+ Q! @8 K; ?

用。)win32k总共包含639个系统服务。

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

+ ~. Q. O9 b; p$ v `

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

( l% f: O* p/ P3 w2 q8 G

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。

# j4 y" x1 K* y( e+ {

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

% n' x& @0 [/ n+ V8 p: O9 U3 Z

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

+ q4 B* l* d; N5 M0 m+ Y. h2 W0 T

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

& b0 ?( }, `; q+ n0 d# n0 _

，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

6 _* j0 l7 Y$ 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

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。

5 Q& o0 _% Y4 ]1 y

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：

__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

. k, N+ N8 H" x @" A& v

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

6 c z' {: a; H8 L3 O; k4 V2 Q 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

8 j% V+ n! S& O8 Y

(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)

+ R4 I% w+ h+ c7 r' T

，<其它>(辅助函数和Ｃ运行时库)。

! p9 f( T3 o; `- P; } |# r

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

$ d# o! Y+ ~2 p$ Z( c; e. v

很多基本的数据结构，这些结构在Win32世界中很少见到。

7 M3 K8 u! g3 K" p4 H

常用数据结构

' }4 c* D2 l B& c6 w

l 整数

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

' _5 T! n9 S c# ? R1 \( {- B

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。

2 V. j% W4 J: S) Z9 v. f. O4 ^1 Y

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

4 t; D' v. [/ ~- M5 r# p

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR 9 V- R0 ]6 s( F$ s5 T16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

! X* G! ~3 h9 q7 s4 Q( F1 V

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

7 G8 L$ Y9 K* C( E' `8 N5 Z

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

ULONG LowPart;

. M6 C- B7 V% S+ e& a

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

, Z+ m9 Y( y: u- U. m( {. n3 b' H

}

6 c2 M! z# j. c! T- A3 u2 W( p

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

* L) d! E" l5 [$ r$ r- O* a" t

struct{

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

, S7 e* f" X* t' x/ v* M

ULONGLONG QuadPart;

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

0 _# q' p5 W8 \! D$ O$ Q8 \% r

l 字符

, `$ N# F* U8 H8 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{

7 }8 P; Z" p. @' e/ m x

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 ;

5 M7 Y& [) `: Q$ m% J# m

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

) P; ^ f7 ^8 t. @

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

% |! F% w1 ~4 o$ h: U. K3 ~; G

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

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

/ W" d% U( N. t0 @, O- A( g

RtlCopyUnicodeString()等等

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。

6 X, v$ U! N- N, a: g# r

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& v: Z# ?9 @3 P: P0 j$ q2 Z

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

5 X4 q1 G7 ?, ?3 Q6 I

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

* t0 [5 z9 R# v+ x( G8 G

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

& N' x$ W( h) |1 Y3 y4 D

PVOID SecurityDescriptor;

3 m) x. X8 E' L0 D" `

PVOID SecurityQualityOfService;

" T; d0 n5 z6 Y# ~* [. f

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

$ C2 I8 V4 m4 B1 n- z7 f. r

{

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

& s! ?! Q H5 ^, G% U) q

{

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。

7 ~) Q; Q& v' z' f+ W

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

3 Q r6 w9 i: S z, M2 p& p' ]

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

+ u, J7 \, ?5 Y. F$ b p

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

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

! S Z" S' V w- O

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。

, Z. `3 r$ Z$ C- T! s6 V

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 $ | c3 H4 v8 y6 f1 d& L) q

9 |/ w- l! c3 x: M. H