浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com 5 }4 v- o# O# s# m' n来源：邪恶八进制 中国

! F! ~' i: P" r" O0 k) q

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

/ `) P# T$ R" v$ Y D0 n# _

。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 D% r) w8 _1 l1 l& W1 l7 N

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。

+ `" l) w8 ]6 x; U

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

$ U* i1 l# }$ \; p( G% m

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

8 R' H8 I% n6 C& R" Z1 n, f' J7 |. I

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

- N# B r) M7 b

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 }' A3 H8 H8 X' e3 f1 a

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

7 x; i) _7 ?$ Y' |( P5 I

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

7 v# D6 k8 _' [9 v1 F

ret 28h

+ f6 c2 o; L+ e9 B

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

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 T8 T: b4 c9 F2 A+ E' n

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

! M6 S6 [ d. P# m- l) W

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。

; A0 e& h, R# F- u8 T5 u0 B: }

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 R! p9 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

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

( ^/ ?( I+ }8 l( x* e* ?- o# y

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

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；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

6 n# z% h, K) m8 ]* W' O

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

& {3 ^4 t0 V4 s. M* z

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

% Y. m- z! }+ Z1 \$ a

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

8 d6 `5 s1 z6 P6 `

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

/ m- _# O3 O, E# l: P

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

+ _) Y5 ^. u- X6 q. }

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

9 I' u6 i8 a1 f6 y9 X/ E

SYSTEM_SERVICE_TABLE win32k; // win32k所实现的系统服务

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

' x j( m$ h2 f+ s$ ^

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

4 d- W# Y1 P: S( g, O

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

" w8 n. F( [" c5 s( i+ ^

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

' Z, I& z1 B) f

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

$ z) M& r! D z. z

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:

( A7 k, z; S# N

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

- Z" H9 h- a. N

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

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

9 m F" d) c; z. Z0 q3 ?

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 . c0 ~/ {) @- \* |7 n5 k5 a 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

& W' u4 o5 ~+ M8 G- v* R

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

: S8 q5 R( h: h3 e% }& P- l* }

，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 5 f7 f. P; u( Y( |此函数去填充这些位置。

3 _2 ^( L% J' J- }

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

, `7 C& t+ K; M% C/ P

文件中。关于KisystemService的操作如下：

& l% ~$ ~* J, p8 Y7 \

1 从当前的线程控制块检索SDT指针

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

! ` A6 y7 V: R; z/ c, {- k% Q

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。

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。

) X- V; y) H0 W: r5 k

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

! U) j9 \ U! P: i

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。

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

9 D& J' ~1 t& x7 c

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

4 T/ l+ B3 \8 {6 y/ y

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

. i2 x9 w/ ]: H$ u U8 Y

用。)win32k总共包含639个系统服务。

- a, C3 \( f0 y3 r/ R+ F, ?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

/ u( A# }6 v, s3 f7 a! U

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

0 ?, z- `& M1 @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。

2 `& U$ C( n: N

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+ c1 l; J) \8 k; q& |( `

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

+ a' Z4 f# A7 v* O' `

，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

& g9 Y6 [# d) Q9 X; i# b$ f

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

4 B f. F# z. c; i

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。

) S! W% P7 j' 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。

* T7 E( k: i3 o% k% [$ c2 `$ L; f

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

; ~ V7 j6 `* l2 h2 S

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$ ^9 N+ J+ {

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

1 v2 N+ _; |. m% u3 T8 C5 m

(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

! v. o5 w/ o& j" b% A/ {; D

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)

( ?- ^' H$ p7 Z' }+ 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

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

3 P, F* X& A0 \" F# y9 v# o

l 整数

5 J; ]! |2 V* ~/ g( y7 F

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

+ A/ U5 g( C$ \4 c

不同。

1 C6 ]% h. K6 \

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

, E5 z# g5 k) Q- c9 N- W; x

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

( I. [5 v1 G4 n& o/ ?6 w/ T: B

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

& H( H6 a. A" V \- b

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

3 D' R' S: U1 C7 \0 F0 E- V

32 DWORD unsigned int UINT INT

; X1 B! d# ~4 a) x7 w6 B3 `; u E

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

6 U' V* U$ L! ?5 g0 R# y

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

3 J7 Y4 u: E- u

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

}

/ g. ^$ W8 ]' { ^/ m& N% k

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

struct{

7 @. s( \, |( S/ T' ]- @

ULONG LowPart;

ULONG HighPart;｝

# E% p3 H3 x T; V

ULONGLONG QuadPart;

4 g; G& p- L) t$ C" \# X

}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

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:

' M6 P! U- O4 z1 B! Y; |# u* K" c% p

typedef struct _UNICODE_STRING{

7 k/ Y; C4 _' \( K8 q/ [( k: [4 C

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

1 T7 `( v6 o5 M. K7 H& c3 ~1 m

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

, X- h6 @ q9 X3 A

typedef struct _STRING{

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

$ G0 v: ]8 W9 _1 B0 r

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

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

# M2 N, U- A( j" l/ P; L3 c" j

RtlCopyUnicodeString()等等

- K! {; {% U/ q( Z

l 结构

# J, s/ w& Y- \

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_*

@( v; t- q+ }' w/ n: ~

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

5 w$ s* N- y% V" p" B

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。

3 Q! z) A* Y! J- C2 n( [" T+ O- e

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

. z' V6 H1 U4 I9 F

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

- c) @5 a9 s7 |& B9 _1 I. H8 l, L7 {

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

+ O2 k7 `9 H2 z: z- y9 _

{

NTSTATDS Status;

7 e. T- @6 S1 s9 a: K9 \

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

{

" h* L/ Y8 A+ g" S4 J$ |

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

7 u( A, U; Z: b. ?& P+ Q

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

, G S+ ?* b& w+ k

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

" l" m) E& B# ?2 l# J

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

; t9 o& r4 b8 F- o+ F- {9 \7 r

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

HANDLE UniqueThread;

)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:

& c2 b3 ?2 \) |; ?7 y

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

1 o! w; p1 t8 }! P% B

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

1 c' v0 U$ v; E

4 ntdll.lib没有包括在VC的默认导入库列表中。

. s# J; Y7 `* W

第4个很容易解决：#progma comment(linker,“/defaultlib:ntdll.lib”)

9 I/ J! q- E" ]7 p9 L

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

7 @! `1 | t6 r

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

1 Y. S. e6 U; F) B' G9 X

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。

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

; i4 [4 O, o T" h8 O2 O

指导

$ a b# I+ L: y8 T1 U; t: b