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

0 O6 |9 _* W( |* w

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

Y% c; m+ n: [6 j5 E" y

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

$ o" ?" E( L! L: |4 b

。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 Q8 E, M( h* h3 N9 K _7 ]

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。

- e1 T6 e1 |6 ^7 Q

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

( u8 a3 e0 n2 e6 T# z

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 H+ D5 M( x2 R3 q: `9 Y0 [

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 w4 O- Z% {5 t7 ~& U3 E

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

) P0 z% z: B+ R* I) k5 X$ W a7 H

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

! C1 J" F$ c9 i, w

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，

' \7 G* D2 d( R- i6 e

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]

. r: b- J8 l) b

int 2Eh

& U' J2 n7 V \3 t9 d4 I, L

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。

2 C6 s* D- f' R, ?' u2 S8 d2 @

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

* Y# m, A2 d; 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

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。

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

* t" G! q: {- e! G+ y$ 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

- B# z" Q7 [5 _5 T- B9 O- c, x 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

2 t; z6 s3 a* {% Z

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

，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

& Q9 C8 Q# }* v+ T" M

SST数组第四个成员，前两个有着特别的用途。

1 {! y% C! E" ^/ U

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

; C# @# P N1 K; ~. k/ j

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

V5 s5 l! k V" i b/ H1 V9 L

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

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

2 P+ _- X# _4 |

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

6 n# K, t& t, M4 R2 G# `

{ 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

/ ~" ]; a& `+ [ b2 d) n6 n

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

& T, N. j7 H; X% q* n2 k; e

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:

8 C8 O7 [$ y2 G* ?5 f' T

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

$ w* E9 p- `0 Y. y+ F: |

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

; h Y, v4 |4 P

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

) e$ z, B3 M w' b1 P1 @: J. f0 V

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

" [4 ]( i7 M# D5 F" 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

+ m% {# ?. k0 H" B: R- i

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。 9 C# S) P& n( B) q0 }6 A+ M' E 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

; R# O- D! v& p" Q/ r8 ?

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

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 j( ]8 s- ]% o7 D/ D. B3 {2 w

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

# z2 y1 a8 t& X. o2 S( F

文件中。关于KisystemService的操作如下：

: k5 _8 x9 ?2 e# Z9 a( Z9 o

1 从当前的线程控制块检索SDT指针

/ I, \9 f8 v) s# T

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

3 j2 Q3 j# R; w/ A5 _, {# @0 v" d

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

" v3 `; Z1 h( B5 s2 _8 [ J# d) r4 N

0x3000-0x3ffff则是Table3和Table4保留。

! u9 D9 z+ L0 R1 ^- u6 s/ P$ [

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

5 @+ v. N/ `. e, O3 G4 |; E

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

4 J' ?; N$ H6 J/ e

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

2 X! f( U! A' T M

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。

: {7 K; Y( Q% z8 k2 Z7 B' }8 Y

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

; q; }" D3 W7 Y1 m+ L' D. m5 N

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

3 J' J7 g% ^2 D: ?; l

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

i: T5 w+ ~. h9 t6 z

用。)win32k总共包含639个系统服务。

0 W# W# }7 x( W7 W" m: W" w

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

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

Windows 2000运行时库

& f( g1 M' ?1 Y- ]3 X# V4 i

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

, D; P( H3 O% |# d0 w2 W

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

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

- Z* o# |1 I" S: Z, M2 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。

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

7 w6 v2 q, k3 t8 R7 Y3 g

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

- m$ @/ Z* y9 D, p) G; r, J m/ _

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。

" B' V, g- _3 S

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

* j( K) O6 ^0 w. z7 E5 K f7 b

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

/ |$ C, p9 a4 x# d2 C

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

; n' \2 I: C( r) K7 ]

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

7 x& ^/ c8 F7 t! C' ]$ P

(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

/ ~# |. S G1 E& U6 t

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)。

! ^% y! C" {0 k+ x, _" U

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。

常用数据结构

$ j# E) J1 o7 [; w

l 整数

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

( m, d1 M- R( N' c! j: k1 F0 o$ g% M9 B

不同。

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

# H$ k( P) O- S6 L' |

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

. @2 F8 ?. M4 m9 g; S$ b

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

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

7 C$ y' `8 s4 q

32 DWORD unsigned int UINT INT

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

0 h( L. h1 p9 w$ @6 G

80 TBYTE N/A

+ o. F2 P& l/ l

typedef union _LARGE_INTEGER

. ~0 ?1 O- P2 B# M

{ struct{

0 _' H% K. P* ^# p

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

- a4 ?4 ~0 \6 h* ^, I- F; y

LONGLONG QuadPart;

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

! u+ G2 c" Z5 r. r2 x

struct{

ULONG LowPart;

% u# D. I7 v/ R) Y

ULONG HighPart;｝

ULONGLONG QuadPart;

* z) |* U5 d4 T+ [" h' ^9 e) h

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

k0 h8 Y+ Z ^" }9 t. `& D+ U

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{

( q1 L$ j/ O/ q3 @7 _8 U

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

. R6 N) H) G; D) e* Y' C

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

) p8 P' _& c# A% V

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

) j9 T; Y0 @/ `2 X- f/ k

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

- p0 |7 [& S* @ D* A

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

, e% F' _0 U m* S

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_*

6 Z4 _& h/ h! B

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

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

0 p" }: ?4 {0 U6 u: T1 G0 Z

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

6 |% D5 C+ Y# w- Z

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

/ e) ?- C T7 r% M# E3 ?# s+ r

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

1 m; m% X$ @+ R

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

/ V7 a: L' \8 [* ]: a r4 d4 `. ?0 q

PUNICODE_STRING ObjectName;

6 i% u( _8 z9 K4 G x) u

ULONG Attributes;

0 }& J! f% Q8 a% m

PVOID SecurityDescriptor;

) Q7 W1 B0 _3 W, V+ g, l* y7 |

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

3 R* ?0 U* |& z1 {

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

: G3 S, V& R# ~5 k1 |; ~

{

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

+ V7 R8 S; g9 G1 ?, y

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

; \$ I) V: g$ P. o0 e2 ~/ I

{

/ S; r9 U8 `( P) S) U) t$ N( ^

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

7 Y3 ^8 _/ ~ f' n5 \

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

! O4 g: C# V* w6 T

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

$ U+ z% P9 I- N

{ HANDLE UniqueProcess;

8 I( k# O: s% S9 Q8 x; t! P

HANDLE UniqueThread;

0 ]+ x. h( R& }8 Q2 u4 N- ~5 V

)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:

) G8 s- E9 L2 }3 k

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

! z% E/ f) m& ~1 a) L$ v

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

6 n8 a5 b! H' l8 B

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”)

: o7 U( h/ h' o* E7 x0 Y# `, d

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

& B. J$ ~: C+ i* D/ h2 \$ n

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

现而SDK中没有的定义可用。

3 u: `5 e& ~; }; 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

0 z$ D, I! m; z. B9 y e4 ^0 Q- b4 y

指导

9 I6 y" i9 B* ^( C0 r