浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com 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

) e7 i$ @. V1 @# a& l% b; v! b; w

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。 / m' F! |$ i$ d" p8 |

! A* L/ v2 p6 X: J: r: s; O

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

5 X! M$ o: b4 X$ O, z1 l

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

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

- q; |) g! z5 k. j1 c3 d# q5 j5 {$ E

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

3 G& z$ S, p4 l+ v% ~

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

ret 28h

: K! [0 _- f. g- L

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

6 W+ q9 n2 Y2 {& X

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，

: \ N- T5 ~" W# `! G

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

; V, m( }5 s- M* T6 [/ ]+ O

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。

$ C7 l! D! c0 E

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

4 C# j( ]6 W8 V( X* T9 J2 e

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

: I5 K2 l( h4 h+ e% [6 e

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。

! F6 u+ W v5 l$ h. f' o7 b

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

b1 e( O0 `* L0 ?: c5 e

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

% M7 ?9 S$ M- s2 _/ ^' @$ k% R8 z& m

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

: K2 B3 G* R2 S4 G+ N( b0 D

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

4 ]# @, b/ G$ K& d' J7 w/ p9 Z3 [

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

/ G% l5 h/ {3 b5 T

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

2 d+ S s" y. {8 f

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

& K; H; X, g c7 X8 I% Z

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* @8 x0 W* e1 F3 ]' E% _& p" i

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

" {6 A1 g+ K; Y: ?0 k3 k

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

1 P* V' ~, S* l7 z# Y

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

: r( P$ l' b+ ?

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

& f% c2 }- u# w0 V' A/ M z ~

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

3 o* J) A1 y* s( L! U; t* p

* 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

9 ]+ U5 D3 z4 k' 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;

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

. G: S! e, s' ]) p8 {8 v

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

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。 , Q; ~( ^# Q- m1 k 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

: i a' F* `, v4 Y2 E m( V3 W

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

1 c2 e: ]/ @7 p1 |6 G4 E

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

* H, F+ P' ~3 L: ?, M

，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 " S. S. R( ^2 W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

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

5 V0 v" H" q6 v3 [) s$ o. V" s

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

* |) e. {* R, U9 M; `1 Y

映射至ntoskrnl表格，ID在

3 y. h' ?6 O- |3 x' q0 {( A

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

3 v8 z# w! k0 o1 A' W8 R

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

9 p, P) Z; o6 o- `/ L) 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

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

; o) g3 r5 @* U' D

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

) @/ ~5 w( {+ z

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。

+ O2 \+ o- F7 h& k- `9 m8 ?

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。

) a" `8 g! e: i1 C

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

! @* |; |' C' m+ n5 C

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

$ l. g# P' x' B0 b$ U2 |9 e

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

. g4 O3 X) |4 Y6 `

用。)win32k总共包含639个系统服务。

8 d0 R4 ~7 u0 { u1 j

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

" l. @1 ^- y( T* C X5 @7 C8 G8 Y

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

a; o+ P4 K: ^# Y7 @! f% H0 d, q

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

过int 2eh门中转。很显然，这么多的函数不依靠2k的内核。

$ l/ i5 n( O# C( i

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

0 @" \2 Y7 N( l6 \& i# B* c

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

6 {. N u8 z- y z

，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

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

d; e3 N+ ~) [& L, P6 W! @

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。

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

( c# M% Z; F8 ^: {! F6 d

__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

) w; R# i& h1 W! B7 |" Z

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

8 e2 O }# N/ M

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 e' A( m, Z) j0 `

(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

# ?8 c7 Y5 X5 I1 p8 A9 ~! v( q

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)

1 q2 h0 t0 E1 k: _

，<其它>(辅助函数和Ｃ运行时库)。

2 s1 ?; G: e' Q. D" R* l4 i

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

! z% N, A* y% F4 Y$ y! k

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

$ ], v/ x) }) o% V' a$ D3 O7 |

l 整数

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

; N8 H/ N1 |+ ^$ K: ^8 A" g. `/ ?

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

3 f% }2 J6 X4 q9 z5 C9 ^" t

不同。

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

' y" q% t; R7 p+ q! `2 m6 {7 ^

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

4 C: Y. z. G. S O% S7 o+ ]0 h5 O

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR - U: W( B& W8 [; Z! z8 _16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

8 r' ~5 }0 u1 V* i, N# b9 f# {

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

^4 ^0 {8 {! A

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

8 H: `% o2 I7 |, a

{ struct{

1 _1 g5 U% J- m+ v( g% P9 w$ @

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

( Y5 p/ J+ Z4 i) n

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

. |8 ^2 n& `; S

typedef union _ULARGE_INTEGER{

1 G; W7 Z1 M, p! J: t

struct{

2 m$ y8 {( m% I% G) }9 ^

ULONG LowPart;

0 h5 w; g6 w* s1 @

ULONG HighPart;｝

ULONGLONG QuadPart;

) z, i" |' \# u9 W" i! I

}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

# N4 t' E# k) P9 d1 q( q

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:

, M1 e" w+ v1 m9 e [/ y

typedef struct _UNICODE_STRING{

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

) t% v9 o( }2 r

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

; x. `4 v0 |/ q6 z7 O. V

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

+ ]- e% V; B, u' {2 k& V8 {" _# H/ j b

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

; f$ d/ z M( l- y, K2 f3 Y1 F

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

z- T t& s# k1 k/ d

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

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

. E3 d0 ?( E: j2 V# V

RtlCopyUnicodeString()等等

l 结构

: q# l1 ]% K7 V5 g

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_*

4 H( V% O' g+ m7 z' A) B2 v

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

5 l" ], b+ i+ s* p7 G, c

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。

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

5 b2 H ]7 C7 ?" h" d8 Y$ w, p% |

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

$ u! m" f* g$ g& R2 B' [% x! n

{

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

2 @0 X$ \* R* N' l

PUNICODE_STRING ObjectName;

3 E M8 ~; V7 H) B1 L* u% @

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

" m4 K% R' n7 t; C* q( X) K

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

2 R0 L) H( X, P& v2 j

{

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

) O' g/ G1 b( o' z" h- |5 |, |& s

{

4 H, F7 Q2 o" U( @

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

2 N! o' A% x2 M

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

3 b8 Q5 V1 v9 C

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。

! p; l, }- N+ a) j: O, i6 c

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

9 y. F0 P/ l' K0 H

{ HANDLE UniqueProcess;

1 J5 J1 d' M, p& m

HANDLE UniqueThread;

6 X7 w- R/ s0 d& g$ p2 y* `

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

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:

& Q) f& c( @- U; O! |' p

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

( p& V- Y6 V( m. U$ C9 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

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”)

! u1 }9 j6 K3 I0 C/ C1 q: V0 d5 W' p: c

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+ c1 W2 w5 B

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

6 I% M, B3 F/ K7 K5 U! H1 ]- y

现而SDK中没有的定义可用。

$ o6 b7 N* t6 C+ e# \# w; i8 ^+ N6 e6 A

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