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

4 z: I M- e& h' w

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

" G2 v9 {" T/ }! a$ G7 `

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。 6 ^/ v `9 G. P5 D- f# X

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

+ P2 @5 A2 i" L! i+ ]9 b

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

* r: ~7 j: {0 m' z

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

! I+ j1 C; w9 ?

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

$ E) x0 L/ U% ?' J

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

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

, }) S8 V2 B% \" g) n9 V

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

ret 28h

5 B: d& L7 h% H. k K" t3 b7 ~

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

- k$ o$ V1 v9 B( Y

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

5 w; d7 m Q! }( |7 m8 H

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

& ^1 e2 P7 `5 P

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。

( |; F! I5 x( H) k! v, G% d

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

( {/ J( }# \4 _7 r' E) ` C! g

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

( J) |8 h3 c3 L/ t |& Q1 F

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。

" ^' K! N& v7 v" J7 Z2 {

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

5 h9 }9 W% `# J1 q* w. n0 Q

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

5 ]5 X0 I( {! a; I

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

u% y+ G" E2 _& s( b0 ?

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

+ l) |, W1 m6 l- L! X& R6 E

{ 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

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

5 c* @% X3 D7 F' ]6 u

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

{ 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

# ]) t6 H4 G/ L0 O

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

; C1 z' Z! G1 j3 Z

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

5 S% d3 ]! s5 d

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

0 Z3 j0 B1 @! _, T. p1 H

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

3 ]. U) X! ]2 m5 ]- s' s- J a" v

，只需两行C语言的代码:

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

# f! |9 g* v% e: {4 D1 V& }* @: ~

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

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

! }2 U* C8 I+ `9 D

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- I" o+ U5 O; t, Z) z 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

; |+ [8 u f% c2 Y' R$ M3 Z

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 3 \ B. K9 p1 r" x3 q 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 f M# g& a# M e- Y- Z$ z0 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

，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：

( o4 N0 l6 T+ H

KeAddSystemServiceTable * w2 g1 c" E5 T4 X8 d, x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

2 S# X/ l( _+ E$ b7 ~+ P

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

e4 w4 C4 ~+ C: Q. s% J

映射至ntoskrnl表格，ID在

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。

& O4 z1 a1 |! w& a# d

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

7 ^( g9 l& n0 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

* p& B' a. G& H3 g! c) B

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

0 ?. t+ g( o. L, V

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。

5 w( J6 R+ ]0 I6 x/ J

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。

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

y8 s% f3 S% P

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

/ ^$ c2 r0 b$ u2 r6 E8 B

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。

" E/ S% C) s1 X* N0 [; D

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

& W$ i' H6 G3 X" F+ l& |- j

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

Windows 2000运行时库

9 X+ `/ @7 V, g$ S7 I, k1 g

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

" _9 R- O4 D( g' Y+ f/ Z

过int 2eh门中转。很显然，这么多的函数不依靠2k的内核。

/ O' [ W( z5 G% S

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

! v* n0 K( ]5 Y

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

/ l3 E. m( v2 ? @) W9 i

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

: {) W1 \& V+ ?6 W

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

. e4 b9 O6 k3 u3 `

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。

4 [# C$ f) e; d4 v6 K# u

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

/ D1 I, d+ Q, ]$ o" ]) ~4 |$ Y& G" N

__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

+ Z8 d2 w* W1 t C4 o1 {

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

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

$ {& q0 l; `, Q# g: ?8 Q/ [

(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

5 _ [, F+ \ r O) Q5 O3 z# @

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)

5 j% W+ [ H& E( \% ?: 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

! e z9 L/ j7 d* _2 _

很多基本的数据结构，这些结构在Win32世界中很少见到。

8 O2 |5 j+ f M2 ?8 U

常用数据结构

l 整数

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

$ J1 ^$ V* H 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

不同。

2 d+ s) R, j/ C( `5 V. q' g ^

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

" K& j( V. Z- o8 r6 y6 H

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

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

. i2 k4 h+ ^- M+ I" G0 T& ~

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

# ]1 |8 {: Z* R/ H

{ struct{

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

" G/ k1 N: f. u, c

LONGLONG QuadPart;

}

5 n5 K- l+ G7 o: A7 y' o6 o

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

& Q# d( v9 l+ Z) i

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

! q; {+ S% O- k m, {3 i: O& ?

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

3 u U% m; w% q# v

ULONGLONG QuadPart;

2 D! `! {6 }' E1 h& C' K( o

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

' d. G Q$ S+ S/ v! Z/ S

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

0 f7 v' _& L3 U. c% S8 q$ s

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{

' g* r! M+ l6 m

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

" a$ x9 T9 R, U' \

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

typedef struct _STRING{

5 |+ V* X% |: J

USHORT Length;

/ ~3 ]8 o5 W$ u) E/ J. c' i3 `$ C

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

- `) e. |! m, ^8 }4 W

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

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

: e5 {5 R% c& Y1 o6 h/ q; c

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_*

2 n) ~5 A7 P; i, O1 V

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

, _% O# {8 [2 S

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。

! h+ c: g8 Y# A1 H4 F) j; U

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

# J5 P; q1 k& J, T9 T

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

$ |0 I! }$ y' c8 ^

ULONG Length;

3 c1 B+ o; j9 t) H2 | j

HANDLE RootDirectory;

5 g1 p1 R1 ?+ e; }6 q

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

2 l: n' |& j1 h" L4 j0 j6 f$ p5 s

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

" P, P4 X" K7 x+ {4 i. a

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

. q* Z( Q( C; V* h8 R1 p

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

7 @" Y, x. x/ v. X! ~9 \

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

$ p4 S" N H5 ~

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。

, f7 E1 w# B* ?) c0 u

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

' W: m' w* x' z& i& p6 Y7 o. M+ S

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

6 ~* v/ S1 a+ t D( Q, `2 {) O

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:

: `+ |5 |4 W, Q

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

8 X8 S6 P! o w. M

3 SDK和DDK头文件不兼容，不能在win32的c源文件包含ntddk.h中

6 Q" i" S) s1 B# Z

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”)

( [" [( Q3 p4 W7 ?

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

* A/ ?) L# Q! g. b

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

9 y5 |' i* q# D7 [) l' l- s; U2 Y: W

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

& T6 w1 u4 P1 f/ Y5 N' [

现而SDK中没有的定义可用。

4 z$ s: e- q; Z$ a

1 x, F) \) f8 G% O" {: T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

6 v. j$ m# h9 e% m( A# Y/ q4 I

* W7 ?: s& r/ M