浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com . Q9 X" \+ `; |8 {; {2 U% x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

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

6 J* l+ d% V" ?3 ]/ W0 @

。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

7 s9 U7 v, n+ i) ~, H1 D

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。

* {: E" `4 a/ n

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

% f! B& i. m6 \( W5 V' b N1 @& r

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

. C, e- r7 g, ^( h& o7 _

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 b* Q: b1 b" _0 t# k% 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

4 l7 U. x) p0 o( L4 U5 p; w- k* e

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，

+ @$ J' w3 s8 [# z s

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：

6 h9 s, O0 o+ N4 n6 C/ R6 H

mov eax, 38h

7 d" y9 z1 }4 Z5 q. h+ m, T) Y' e

lea edx, [esp+4]

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。

- C* k3 _. m3 h$ t! d# B

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$ w- t3 w9 p: n1 r" v

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 {, r3 M6 S5 {% j

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

( o4 B9 [: Q7 H" m$ R0 s

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

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。

2 N4 \0 e' C7 \0 L% x E

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

9 D( | `5 J) Q, o4 L

，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)

. W6 d6 o1 o# I7 S

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

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

5 b% V6 o7 E' M

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

, ~& u7 W% Y T$ b3 q& X

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

( e& v8 j8 U8 Y) C* e9 W

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

, p# E6 S, H4 @6 j6 b U: q

{ 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

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

% r% R N' f# E& B

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

% N1 _* Q, u C7 t7 E) b

* 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

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:

3 `& S4 x/ C# i ?

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

; B# P# y2 v5 i& C0 G7 [3 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

, j8 p* Q2 I7 A3 o" E- [0 X' j

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

1 J9 W: V& V$ I' [- Q6 g( v; F

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

; R R [1 A& Y; P2 z

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 ~4 |1 e8 b, x* p, t7 @. T6 [1 b

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：

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

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

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。

1 c: u e/ d7 n

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

1 q$ c$ Z. g, I" G. e" j s: O

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

( V; ?- }0 ]! }+ A* ]

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。

7 控制转到内部的函数KiserviceExit，在此次服务调用返回之后。

6 U( l) n# o' Y i* W( \

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

- H2 ^% V2 L4 a1 @3 L( t$ y

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。

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

3 r4 ], @" j' |4 J5 t8 k1 W

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

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。

4 O6 w% I6 @( p) V

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

，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

6 ^+ ~9 y6 y8 W/ x" k8 U# A

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

5 i" O3 O* I6 Q) Y

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。

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

* W0 g! Z8 w; R; [* d

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

1 Y9 L; x, Q& P8 ?. Q9 S- K1 y ' f! J, Q+ C& d" i/ A

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

8 P T! G- V( f9 V3 H

(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

# y9 Y' j( y d) n+ E

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)。

: A1 ], ~# G: Y6 Q! b

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

0 I2 e3 T1 B) Q2 ~; K7 P

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

( V6 r5 W9 r5 s" O& M6 Q5 n2 X# E0 F* L

l 整数

8 X( r# o' {$ W/ q2 u6 A

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

3 D5 f) P/ o3 F& a$ t4 H" e

不同。

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

+ p5 I( F; p+ w9 |! z6 @ C; K

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR \& C4 Y, `4 |+ w( y) H& F16 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

80 TBYTE N/A

. d& p; @ T8 ?- u) f

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

ULONG LowPart;

+ | ~1 n8 D" j% ?9 Y. G% h+ e

LONG HighPart；};

' v' q& M+ J5 w2 [+ N, l( o

LONGLONG QuadPart;

}

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

( v' k {8 ~+ B6 N: L! s: G

struct{

( ^- Z' f+ W1 T- ]

ULONG LowPart;

" t- N3 c: u" x1 k! z0 o

ULONG HighPart;｝

, S, P) J" _9 d! z

ULONGLONG QuadPart;

! Q$ S, R: b/ e; H2 x0 T( u

}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

: |4 M Y9 I) }, l5 D, n

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:

; s( ] [* `% e, v4 b$ T. h

typedef struct _UNICODE_STRING{

8 k8 `; M D( ~

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

4 s6 l+ J( i: B7 j" D7 J0 p

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

0 l+ G( |4 y2 x4 Y3 U$ P

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

typedef struct _STRING{

) Q4 P y+ \8 m9 a# L

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

+ d# x o3 k# a W8 @7 a3 l

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

2 B) W/ L! w; d* K+ h

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

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

/ {8 p; O! s: B1 _

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 b/ K8 d) k) {4 P

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

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

' \( @. j! A8 H( J) t+ |+ [' u

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

4 S2 |1 h& z+ `0 t

{

- [5 m6 `1 `1 ? C2 E

ULONG Length;

+ N$ H( x, [" o

HANDLE RootDirectory;

% w$ `% j3 |* f& D1 I

PUNICODE_STRING ObjectName;

9 v& x5 C1 R6 q8 X

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

0 w8 ]' m) V# y5 K1 N% i4 E

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

+ s% f& a* |. A5 B1 x7 Y& Z

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

) n3 Q# \ k. s- z) H# }: b

NTSTATDS Status;

ULONG Information;

$ k+ a. u$ }* v) o' x3 n

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

1 r! g2 o. Z% q

typedef struct _LIST_ENTRY

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

}LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;

! p( r5 K" v( Q9 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

( L: g) l( s- a/ @' k4 b! G

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;

$ b3 ?4 e# f/ m% I9 @5 Y+ J' k8 _

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

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”)

/ y7 F% w8 i8 l# k: O% G4 s

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

6 U. o- @( n2 z+ 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。

" G+ D1 a% b. t" n; F1 G: h

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

* J3 L* i% T/ A) B

! ^1 r1 j: i, U @* F