浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com ( ^) p) e5 E$ J8 a2 p% P来源：邪恶八进制 中国

+ ?+ B B7 i5 v& J

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

F* l; y0 [! z$ ]9 G0 ^3 N+ c

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

& n/ h: [) V3 ~* Q

。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

* d) g9 ^( M Y9 Q) V. N9 ?

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

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

, y9 d9 P" L* j/ _* u3 \

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

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

, y" ~: ^9 p$ ^, m" ~

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

% e1 p6 k' K6 O% U

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

6 Y, z; t# d: h! ]/ N% J

lea edx, [esp+4]

* m3 N6 v+ X+ p- m

int 2Eh

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。

& _# v; a8 J( W# y

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

- b# ~" Q# r0 K6 L+ E

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

! ?0 P6 N3 R3 S, @; m& m

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。

1 q+ W4 P, h6 l. H$ @8 o

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

5 |6 H6 q3 M! j I! n b

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

* X0 W8 u: r- O6 P1 F1 }

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

2 B; Q+ X& M- Z T4 u- B

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

2 [& K% T- V0 z0 J* J1 @

，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。

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

4 @! m8 M# H5 M+ o, i

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

! t- ?3 [, l2 K6 v! m |3 {

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

. @0 o. d; G% G3 y4 u, N$ R2 J K

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

: G5 u9 x B* e! y

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

8 B/ c6 H* i- D& b) o8 P( l4 p

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

, E8 N/ h; q0 U" g- G

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

8 M3 q! f6 u) O

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

# L* _; h3 y2 N: e2 C, E

{ 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

/ H# i# b+ U, q4 E0 {4 s5 u

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

! C' G! l, c0 }6 X

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

" |7 q# A* E3 v9 N* x& D

* 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

: q u! i: [; w* E2 Y; Y- `/ U5 x

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

1 p6 f0 P. T' }+ u" E

，只需两行C语言的代码:

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

8 a" D }8 k" A# F. r0 o( K

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

8 {+ j7 l! g: p4 T& }7 k1 v8 O$ 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。 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

3 z: ~) I1 h& x) }- s8 V2 G

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 3 D( l% k" Y! b 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：

6 ~1 H# O1 G4 j. o: i

KeAddSystemServiceTable ) ?2 H( H- x4 \* w/ U; P2 c此函数去填充这些位置。

% Q, k3 V: k% \: G

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

) h5 K3 ?8 ~' {/ R* ]9 P! q

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

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。

) f- i" B/ {$ S

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

* m4 i' I, P ~

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

# t1 p, V2 q& m: r

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

+ j7 U6 d) O2 O1 f

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。

* D' }3 Q6 o0 M! q( A

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

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

3 C) Y1 l1 Q! E# d9 b

用。)win32k总共包含639个系统服务。

9 K/ b8 U/ z9 z( w0 t, G2Eh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

8 ~9 X# u3 d4 ]2 R3 m

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。

; B; }! o, z- z' [Windows 2000运行时库

! v; n' }: `3 M0 Y% E U

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

' ]/ W: V! Z% N6 m+ q. N

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

) E+ \- H6 o6 a5 J# ]: l6 B

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

3 W" |! h- F# w6 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

8 K' n) \: Q: P( o. ?$ [, ?- F. f

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

/ e" y$ H" G' p" t8 q* j

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：

! D& b: U( B; g# u: c( Q& s/ e

__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

# g# A0 ^: P, D& A5 f

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

; k' _0 v0 v. x! P4 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)

/ ^% Q' D' @" n' u

，<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

; w. t4 H# W2 C# V2 m. v9 {/ b

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

& r$ I( G' O3 N/ x) E8 c

l 整数

3 i- |4 C {. S- `5 m

ANSI字符是有符号的，而Unicode WCHAR是无符号的

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。

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

8 l' V% G, `' h

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

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

% o' R& ]' |5 e+ X! H. P8 h

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

- K& j1 @0 c4 c% t, R

32 DWORD unsigned int UINT INT

) W% l: x: Z# w8 I

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

' b- P J5 s I/ [8 C

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

ULONG LowPart;

6 K- E7 w# {5 H7 r; G! C

LONG HighPart；};

: d" A- a0 y$ Q4 _+ u( y& I

LONGLONG QuadPart;

5 r4 p+ `/ N! B3 D- v" R' X

}

3 H4 G1 l" C1 k# d# k c

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

* l- |9 N2 o& i* C

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

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

2 L0 W, [% L1 D6 P 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{

7 @; x. C2 c. G0 Z

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

2 U3 |! [! U F" K! [7 j) }2 `

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

# m6 _' M* Y+ f( ^# q& S( I. [5 {

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

% x+ _5 z2 H$ f; l

typedef struct _STRING{

% t" c* E- M. w3 N1 J4 [

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

+ g) _1 I0 I; J- `: C0 T

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

, m* X \# L; |& e

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

' q+ u; j- T' A" m

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

$ p. c# A) f4 l% p

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

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。

# n4 ^5 |, h. V6 \; [, i

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。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

. q, {! b+ K5 ?, m! C* o; w

{

ULONG Length;

) {9 d' z- ? ]5 v

HANDLE RootDirectory;

! i) N/ i* F, c, @0 o% O

PUNICODE_STRING ObjectName;

$ K7 [: f9 B4 M# U: k$ Z( p# l

ULONG Attributes;

6 m3 n# I) \" [' Q' B) x

PVOID SecurityDescriptor;

, B4 K! S, @( v$ l4 {2 N! N% W5 u

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

% i |- |4 e9 q+ k

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

& M5 `- V! g% G/ q2 k2 I2 M& t5 S

{

( `( u, t3 v+ h; d3 d$ G

NTSTATDS Status;

4 I9 x& M& v( }& c: W8 _* q

ULONG Information;

5 ~" I) a; Z& `

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

% b4 G3 @3 n/ g) u9 Q' I

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

; I' D- M+ c0 v5 k) b

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。

2 [1 D$ }- T$ _

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

/ d3 P( i: a k5 n

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

! L# [* J! `1 R

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

# y% V1 G- a7 N! c& q) S: K4 O* p8 w

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:

( D. ?4 f) P2 w+ S- P, c

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

/ g2 c. w+ F! H' \% o0 I/ l( N

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。

3 E7 L/ A. l T2 a3 r2 j9 `

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

8 X& S- [' z2 \) |# k

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

5 \0 _/ J9 P6 q) f. O

现而SDK中没有的定义可用。

9 [/ p- w% m( F( {' D3 |% E; {

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

' H t2 [9 ^: D+ X

指导 . i* O$ _. S; x! w5 c4 R( x

7 b k, p, o1 c3 \