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

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) x# [, u6 P! Z' x# F( y3 ] J

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

! E6 R4 Q, I+ F7 n% Q _! z

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。 $ P( q u1 H K

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

. k% h" m9 v3 J

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

% O0 H! ` Y9 o/ x, d. \! g

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

+ C6 ]9 b5 R* N4 G. u

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

3 J' _. n' P4 R( |0 d6 u6 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。

0 K9 q. }# e/ K2 v, h

反编汇这个函数得到：

& Z* [$ U& a5 c V% O: |

mov eax, 38h

7 V8 D' U6 b O, u

lea edx, [esp+4]

[- H+ U4 \5 Q' }

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

1 f3 L4 K6 P$ E6 c" r

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。

+ A3 O+ Q$ G7 Y2 _2 \' X

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

, F( Y3 U, J4 l3 D2 X; b) ?0 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

4 K" ?0 W* u' }# [8 h# W

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。

Y2 z6 k# V# U2 d5 U9 B3 ^

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)

3 r: m* S; T) J

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

# A, e9 ]4 ?* x8 D6 i2 i3 M

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

- _ I5 n5 W+ N/ c+ _& y) D

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

9 X$ O6 N# N6 Q4 T

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

3 ?$ R1 I. m! J

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

* R/ h9 {" i: c5 V2 ?/ G

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

4 Y2 U" C/ n( ?( [5 z

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

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

5 J/ k' T6 M8 z* P0 h# F$ _ a

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

: x! p5 w5 v) H7 M

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

; ?3 m4 h# A: |9 p2 i' d

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:

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

" Z+ E8 Z, {& S- t' D4 C) I. U V7 H

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

9 l$ r8 V- f. J3 E* h# P2 z

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

$ P# {7 t- ~8 \$ r+ Q+ b

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

" ~% S9 u$ p/ \8 d/ G8 G7 ^. |

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

% L& u1 c1 E% w2 Z/ |/ I

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

0 e4 \& [: H, m, n

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

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：

4 E/ X+ R; T7 t0 D, u

KeAddSystemServiceTable ! T: E8 A* K2 g8 J- m此函数去填充这些位置。

% A; C8 g, T4 I: R/ R

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：

! K4 ~& F; t( o Q' A% H5 K" t; t# V

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

' H( t* V% X0 q: y

映射至ntoskrnl表格，ID在

0 S" ~4 G' M1 u! X' _

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。

6 s) a2 M$ ?$ X- N: M, V

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

% o1 j/ f! p0 j0 Y( D

STATUS_INVALID_SYSTEM_SERVICE。

N6 [* y( w1 n. D. u S9 u q

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。

2 x1 x; f" k7 T2 D: J

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。

; _' G# m8 H$ Q2 F' {

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

& E. W% q/ ~0 t# c+ p2 D% [

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

% n5 T& d2 w. k$ |4 \

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

, s6 I! f# _2 Z0 }

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。

$ r; b* g) u6 p, {( T* Y

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 s# c; v2 U, `

候,KeInitializeThread()把KeServiceDescriptorTable写到线程的控制块。尽管这样，这个默认设置之

3 L7 Y3 |8 |) [8 K

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

! j! K V( O% _/ L A1 L7 |# ~0 ^* oWindows 2000运行时库

- B5 n, d$ \) Y& W8 C2 B) e

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

* c& v; j' R$ l l `! 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

! _" l2 ]* E ]" ?# J

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

4 ^( O& R y, o2 Y/ C

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

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

k$ b; |, ~7 W6 x6 H

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。

, C( Z3 \% ^ A% d( f& Y+ j6 ^! t- K

还有很多的函数集合，所有这些函数的前缀如下：

) ]; X- K% S9 k! k

__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

I, A( H. J! h. l, G8 C/ t& O3 N

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

& ?- P& l0 G! V; |6 [, 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

- {( }& q# I! x9 }6 q% R

(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)

，<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。

) E' |" I* C( g' B* X

常用数据结构

- {& l v' B7 L% d2 L% {

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

! k6 b$ }$ t- G. F( `5 \

不同。

: n4 \( L4 Y) g/ x4 M1 Q- j, A

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

! o3 E1 _% w5 D K; p

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

32 DWORD unsigned long ULONG LONG

32 DWORD unsigned int UINT INT

/ @4 Z! I5 O% g# A7 H

64 QWORD unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG

2 ?" l i3 r' V* Z1 K+ p8 i: B

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

{ struct{

4 h }4 j6 e! O; r

ULONG LowPart;

LONG HighPart；};

( P ]& g) d* k; L

LONGLONG QuadPart;

+ j8 j6 p5 _& @7 q0 q

}

. }1 [6 p0 \' r& G+ E

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

typedef union _ULARGE_INTEGER{

+ @, z0 c% `. |# i% F: F

struct{

ULONG LowPart;

, K6 ^8 m9 V( E0 x: o9 L4 Z

ULONG HighPart;｝

/ ~* G; v0 |7 m+ R, ]. E

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

3 D6 G/ {+ p8 D1 W( `% a' |3 V' |

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{

) z6 [# s% O! f0 J @

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

, [( g' x0 D# H4 |* u4 h

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

typedef struct _STRING{

. Q9 D& f: S# c/ O+ R3 @# a/ d

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

0 ?% U" Q: j3 {# k1 }: f

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

RtlCopyUnicodeString()等等

% l! Q1 p) t+ A- t- b

l 结构

: T* B0 ?0 s4 ?" L

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_*

! m3 ^9 b, N, v; j/ |

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。

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

" L( \ \% ], K. {4 C; B/ {( a+ Y

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

, v0 s6 W+ ^0 o# B6 X

{

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

ULONG Attributes;

PVOID SecurityDescriptor;

PVOID SecurityQualityOfService;

8 K- W( ]/ b, h/ u# u0 O! o, C8 I

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

z$ C, z+ ?! Y+ _8 K% r

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

& S! a1 D3 n' m2 f* X6 e

{

3 c! J# T- e( J

NTSTATDS Status;

6 G9 q. w) m$ C2 o

ULONG Information;

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

. K( a+ M3 n9 U9 e4 K! }

{

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

1 ]/ y' o% G/ b' w

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

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。

9 I5 j. Y: m, X

typedef struct _CLIENT_ID

{ HANDLE UniqueProcess;

; p( B7 m- b( h! U6 l

HANDLE UniqueThread;

! |; c. q1 j0 E: {7 L; Y

)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:

+ L, x$ ]9 N0 m/ f* U# ^1 W2 d

1 SDK头文件没有包括这些函数的原型

2 d4 ?( D: i/ R& h/ r1 i" d: P

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

2 u2 Z' A( t6 B) W

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。

$ F& L/ \% l2 a* ~, v; D& I

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

/ t- e4 j& K; p& u# y- K) r5 X

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

$ V1 O& k/ g0 O$ J+ d

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

# G* r1 D% {$ h6 D9 i9 U# _

现而SDK中没有的定义可用。

; I0 N2 \$ [) \, `) R' A9 H4 q

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

+ o3 ^/ L. D5 S: X9 v; _