浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com 4 B% y& D) S0 c6 b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

2 |$ z0 S% t3 i) P

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

' u3 [& D, R! H3 P/ \) Q2 i

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

4 r* l4 T, z) I3 t5 t

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

6 {, Y0 q5 k5 |

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

P h$ N6 u) B' Z+ I3 ~

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

3 m2 W. ?. D; k B4 J0 H

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，

; @4 K# J! p( N' f; E

转到中断描述符表IDT位置0x2E处的中断处理程序。

# f; G8 Q) }. n: q; W

反编汇这个函数得到：

mov eax, 38h

$ y) ^7 F% q. R* t% l' ?; t! j

lea edx, [esp+4]

% ], P0 l- T3 H- z

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。

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

( g0 Y+ F8 J& ?' |/ ~+ p8 m- c$ 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

; ?) t: U! r( ~' q+ `/ Y

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

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

9 a; w$ V. j, O) f8 d/ a

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

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。

# j' h% n( u1 _( c& A$ u

typedef NTSTATUS (NTAPI *NTPROC) ( ) ；

x0 X; n8 o( I- ]; A

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

/ v% Q6 z; F/ _5 Q5 X% ~1 `

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

( n/ R6 m. k2 A) \0 S7 U! y* d0 t- Q

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

7 f' m& ^' T- s7 y

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

0 X( Y- {. u9 Y

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

( a( H3 o0 h5 p8 g3 a( l

{ 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

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

2 i a7 ]4 W6 {& i

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

+ T! ^5 q* v y+ Q4 I W- A

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

+ V7 S W, X% f+ S2 I7 D1 n

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

" G: i7 R1 f# \9 |1 |" |

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

4 @7 ^: a2 h" R1 P x! v

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:

$ z7 Z( k7 r/ W. y( `

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

6 p( \4 b( N4 T) K

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

2 x( J0 l6 |" B- 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

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 b0 _* I3 z! h- E4 f" {: \

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。 % D9 s: l8 E5 w Y 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

前四行是最重要的，对应那四个SDT成员。 " w' Y9 f( T& F% `; Y- I 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

, l0 [1 v/ z0 `4 d/ t% j

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：

0 O4 ~ _1 t- H% j. r. O

KeAddSystemServiceTable / h& |" X: H. r. Q5 ]- `5 \此函数去填充这些位置。

: |8 h4 v0 Q6 W9 P

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 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

7 J8 `' X9 n* m1 ~

映射至ntoskrnl表格，ID在

1 l$ Q+ n6 P, [ s6 z

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

8 i, r X# @+ h6 M: x2 E$ M

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

6 n V8 K/ L% d, k2 v: F

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

$ q. i( ]7 q$ u: o3 m0 P

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

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

5 s) U/ R' ~2 w

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。

* V5 v/ r. d/ `6 P: P4 x

6 搜索serviceTable中的服务函数指针，并调用这个函数。

, K) u' D7 z" j

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

用。)win32k总共包含639个系统服务。

: k$ P1 Y" p; X+ ]6 B

. g/ V6 k/ b% d4 `2Eh的处理过程没有使用全局SDT KeServiceDescriptorTable。

! g( U- h3 x" q: T/ m

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

" m4 j" U% E8 V5 B2 l( l7 [# g) u

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。

; v; A7 a4 I0 DWindows 2000运行时库

/ m, ^8 ?! u" K% v$ o! a7 i% s

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

- Y1 Y4 Q& q) B* D7 H2 D

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

' M* V! a4 Q& C8 \# M" [

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

. N$ n% e( m) D

，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

. d1 O7 ^7 X4 V: x G- I9 z8 r* c

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

Z' J3 I- |+ c

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。

2 D" Z+ f1 d2 }5 [% Y, p5 Z8 W

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：

& b" C9 _% a- n U+ `- q+ H

__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

8 J0 c5 H: P3 o0 n! d! T* K

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

% h! Y# n6 G1 D0 L; ~; Y1 A% h

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)

* _6 W/ s( e2 a& o( J/ c

，<其它>(辅助函数和Ｃ运行时库)。

$ o, x d/ @5 t7 A* 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

6 q9 {8 X0 d4 v, I e

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

& `- B$ T8 f; ~

l 整数

0 S% r/ p; w0 i$ ~, L q- ~

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

I! l/ q% D; r# P' s6 O

不同。

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

* ^ R1 b, b: }+ R6 B

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

) {) F1 m/ O0 k3 x# D! ]; N! R

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR 7 k* N& e ]- W2 r' s16 WORD unsigned short USHORT WCHAR SHORT

+ K, d c; ~9 v

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

- W- k- g5 F& I2 Q9 m6 c% Z

32 DWORD unsigned int UINT INT

7 L$ j! K* @! m, U

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

4 O. q# z- W, d) h( l: G

80 TBYTE N/A

! ~( K; r2 `1 a$ Q, I

typedef union _LARGE_INTEGER

! q! o, m J+ X( m# v2 O

{ struct{

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

LONGLONG QuadPart;

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

' ]2 g" T1 P4 {* d% D) b3 H$ O

struct{

3 Z; p& G: w; q' F

ULONG LowPart;

1 v1 Z$ F6 s; Z6 H' h, T) ?

ULONG HighPart;｝

4 b% I) r/ u6 q$ f- s0 {; G

ULONGLONG QuadPart;

9 Y0 V2 V/ {' U8 m6 i6 B

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

l 字符

8 `! |7 V* [' Z: g0 |& x

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:

2 j+ i" p: q1 u# ]( v" e2 D

typedef struct _UNICODE_STRING{

$ Y6 w6 j5 J* d! `8 m4 t

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

2 _2 g# J$ J2 p; h& T* `

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

3 ^7 I1 p7 @, U& g

typedef struct _STRING{

! d9 r5 S4 X% J' D, P+ Z

USHORT Length;

2 V# R- N3 J# H! U4 |

USHORT MaximumLength;

) o, I6 Q; m. L. R L

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

# X+ ~( y$ ^; H- `

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

3 q9 d8 r% [& U5 p

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

RtlCopyUnicodeString()等等

+ J7 [' u+ l' Q' H5 H1 u6 L4 [

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_*

; a' B7 F/ ]" O& U+ j$ b _# r

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

7 u! H/ e8 K: u5 }

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

: b% n8 {1 [. O) o3 ~- U w

{

( g: ] z% [2 q2 J& i

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

# v( ~% n# Y# {" i6 G4 L

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

7 `! l, r& R$ g7 a& z1 a

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

9 Z( Q% a6 [+ Q3 @! h3 j

typedef struct _LIST_ENTRY

; x3 h' E Q/ c) }9 l. Y# R

{

$ j" S& T* ]& A: u! S; t

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

8 F# O2 t2 T- `+ S9 e# U: c

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

) c( H# Y X j) |+ P

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

o% `2 h0 q8 |: r$ ~" r

HANDLE UniqueThread;

( G0 J$ m* P2 e

)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:

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

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 ~( m5 m; R4 g* L( j

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”)

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

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

指导 0 [& f& j% a, f7 Q3 m

5 ^! Z' N& X0 B