浅析本机API

韩冰

作者：sunwear[E.S.T] shellcoder@163.com - Y. S3 o( E2 q- _来源：邪恶八进制 中国

& d- _$ `8 M+ D h

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

3 T( Z6 S O6 W6 p- k( B# l/ T) ^

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

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。 . `, X/ T. y- u" m. j* b

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

" s: I7 n7 z8 ~9 P# U

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

) ~4 l; d' r0 r

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，

$ O# n2 U1 ?& `

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

) e; b& ?& [/ [1 l

lea edx, [esp+4]

int 2Eh

, n) {! K- r0 H1 \

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。

0 b+ D) H4 o' j. x I( ^9 ~* x; U

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

& S* n4 K# ~; Y

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

4 ^% e0 O; I4 |

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

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

, q" a4 v1 W* O6 W- Z

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

) R- |: G' m. @- Q2 H n

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。

' |& ]) o5 g4 P. v7 m- r ?6 T# U

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) ( ) ；

* t& F( @* b. p9 c

typedef NTPROC *PNTPROC；

#define NTPROC_ sizeof (NTPROC)

typedef struct _SYSTEM_SERVICE_TABLE

- q/ u7 r! N" h% ?

{ PNTPROC ServiceTable; // 这里是入口指针数组

' }: [* c" ~: _4 C4 R

PDWORD CounterTable; // 此处是调用次数计数数组

5 W4 o' Y2 H. S

DWORD ServiceLimit ; // 服务入口的个数

6 O! s4 }! S4 [/ ]8 v' p* ~/ A

PBYTE ArgumentTable; // 服务参数字节数的数组

) SYSTEM_SERVICE_TABLE ,

* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,

' |4 Z7 x, G4 |

* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;

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

: ^& E6 A7 [% C) `! b* O

typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE

& N: H8 s" f! [

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

0 A4 }6 p& P- V3 I

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

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table3; // 未使用

( K- H5 X0 Q1 S/ r! f0 X

SYSTEM_SERVICE_TABLE Table4; // 未使用

0 w7 d* b; ]( K2 T, m# {4 w" y

} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,

* PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE,

* PPSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ；

5 B1 P! i/ W" R4 @0 @* r6 W K

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

0 f6 Y$ a( L6 \' i+ g$ q

，只需两行C语言的代码:

extern PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE KeServiceDescriptorTable;

0 [7 F9 \" W* C" P

PSERVICE_DESCRIPTOR_TABLE psdt= KeServiceDescriptorTable;

- o2 U, C9 h1 k+ Q% Z0 `2 f9 `

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

$ E* E: R% c. \- u; d- W9 ]# r# \

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

$ C. {9 p$ g' q2 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

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

4 q% h2 Z: H' a& R6 C

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。 : h- Y; V5 J$ y2 _+ q0 z6 x8 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。 运行这个命令:ln 8046e100，显示符号是KeServiceDescriptorTableShadow，说明第五个开始确实为

y, D8 i+ j. E6 U% V5 F. [

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 " A& _. d5 C4 e- G2 q2 Y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

' W, }9 b5 o) J

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

9 K. p# E7 Q. V0 B

映射至ntoskrnl表格，ID在

! ^3 V$ F+ [4 N e

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。

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

" X+ U& e, K' m# r& 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。

5 m2 K, z3 e# c$ ~, B d

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" i, s2 Q* a& T% j) f

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

M6 D) L. [" Y: L9 } k

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

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

: @# S7 u U* l- V

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

# k4 J0 O6 _: m- C F$ ^0 X' G

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

+ o5 K) I5 w7 \* U

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

5 z" Q2 k2 ^+ T/ q, h

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

, ^( o7 j2 j) C0 W6 ~) @' w/ B

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。

* N+ h0 g" }) h6 o, U B# p% 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：

/ [* R- _+ ?+ k6 ^

__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

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

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

$ O S/ ] l, }# B: A$ D( D% 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)

0 V9 r6 K z7 ~4 c& S3 w( _0 S

，<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

7 m* \& y" f7 B4 \

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

& }" M6 }" t; j

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

$ P/ Q) a8 m- K9 @) L! P0 x6 ~

不同。

5 ] g2 B- b8 y, }( P5 E* K

TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types

BITS MASM FUNDAMENTAL ALIAS #1 ALIAS #2 SIGNED

- q1 _; E e4 I2 u S1 G/ {

8 BYTE unsigned char UCHAR CHAR + \: ?8 d( m8 ?& s V" z16 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

( G0 e" L8 g$ s$ u

80 TBYTE N/A

typedef union _LARGE_INTEGER

* |9 ^2 r; t7 C

{ struct{

ULONG LowPart;

% t( M8 \; [) M6 J% Z

LONG HighPart；};

7 |! `+ j& m) j! x" ~, Z0 r

LONGLONG QuadPart;

/ ?8 F- R! ^# q

}

1 D3 `4 q% o3 n

LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;

0 G2 b! } A* ?' w L( m

typedef union _ULARGE_INTEGER{

% y' `9 x( y8 A

struct{

* L! e- l' K0 L9 q* u; U

ULONG LowPart;

v" U% B* A) X4 W( i

ULONG HighPart;｝

, e# T8 o5 ]4 e+ J( Y

ULONGLONG QuadPart;

6 y3 b( |9 f+ h0 U

}ULARGE_INTEGER, *PULARGE_INTEGER;

1 q; u" q) V, J* o; T" Y

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 }; K' ]0 {0 Y) Q9 D* K$ C' p" j4 Y

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{

USHORT Length; //当前字节长度，不是字符！！！

USHORT MaximumLength; //Buffer的最大字节长度

1 C9 S- N/ E6 {, h

PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;

# V# s) N G, u( p: { s# ^

typedef struct _STRING{

0 c- \" T; s, k! q" d3 B

USHORT Length;

USHORT MaximumLength;

PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;

9 i9 L; f2 H5 T2 Y8 A

typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;

2 [: M8 l7 G# W$ m" l5 T

typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;

Q6 Q9 E! T) }7 P2 Y/ t

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

RtlCopyUnicodeString()等等

l 结构

) Y1 T( ^8 c7 I3 k5 g' W9 Q

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_*

5 w' H$ i- H6 Z- j+ ~

值的组合，可以从ntdef.h中查到。

% M( f2 B/ a2 W9 }; V

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

1 \) b+ w) e h4 N; X9 \% i0 R

操作成功 information成员提供特定请求的信息。

2 v- x F9 Y8 J- B' x* X

还有一个结构是LIST_ENTRY，这是一个双向环链表。

typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES

{

4 i v; ^+ r( O- @

ULONG Length;

HANDLE RootDirectory;

PUNICODE_STRING ObjectName;

0 t* y/ W, @, E* X5 U2 `, L2 Z7 Y$ P0 O7 }

ULONG Attributes;

, h5 O2 ^7 P# _# k' Y1 A- U6 a

PVOID SecurityDescriptor;

( k3 Z. v$ M7 v; }0 @3 V

PVOID SecurityQualityOfService;

} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;

. ?- U9 f( J4 n# A3 A! S5 S

typedef struct _IO_STATUS_BLOCK

{

, V$ V: C$ R4 T2 E: P

NTSTATDS Status;

8 i% B! n$ }% x, k

ULONG Information;

0 I6 P& q* ~0 C+ G* ]2 K

}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;

typedef struct _LIST_ENTRY

{

' j+ J( G+ ]# r7 e$ f# n

Struct _LIST_ENTRY *Flink;

Struct _LIST_ENTRY *Blink;

+ k k& ^9 Z' w$ _( \! F9 M* {

}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

0 {0 _0 A4 r- B$ G! `4 o6 C/ G

ntoskrnl.exe的数据段中，指定了系统进程列表的第一个成员。

j0 _6 u& X2 L! D, i

CLIENT_ID结构由进程和线程ID组成。

typedef struct _CLIENT_ID

$ u* R& ~3 A$ v8 \6 n' H, D9 V

{ HANDLE UniqueProcess;

. y6 i' |$ t* x7 _* ?1 n

HANDLE UniqueThread;

* p9 H1 x6 \0 [0 |& Z

)CLIENT_ID, *PCLIENT_ID;

8 Q* a9 u' ^; v3 ~ c

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

$ J0 m" |6 v4 s# [

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”)

8 \' g. m9 K7 R# [

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

- \2 g8 y0 ~9 r+ T9 y% r

现而SDK中没有的定义可用。

! t/ {4 F3 i& j. K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

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