浅析本机API

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
。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。
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
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
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，
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
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
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
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。
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
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 ,
* PSYSTEM_SERVICE_TABLE ,
* * PPSYSTEM_SERVICE_TABLE ;
/ / _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
typedef struct _SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE
{ 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
} SERVICE_DESCRIPTOR_TABLE ,
* 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:
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
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
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。
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
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。
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。
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
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。
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
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
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
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
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。
常用数据结构
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
不同。
TABLE 2-3. Equivalent Integral Data Types
BITS   MASM   FUNDAMENTAL   ALIAS #1   ALIAS #2 SIGNED
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
64     QWORD   unsigned _int64 ULONGLONG DWORDLONG LONGLONG
80     TBYTE   N/A
typedef union _LARGE_INTEGER
{ struct{
ULONG LowPart;
LONG HighPart；};
LONGLONG QuadPart;
}
LARGE_INTEGER , * PULARGE_INTEGER ;
typedef union _ULARGE_INTEGER{
struct{
ULONG LowPart;
ULONG HighPart;｝
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
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
PWSTR Buffer;}UNICODE_STRING , * PUNICODE_STRING ;
typedef struct _STRING{
USHORT Length;
USHORT MaximumLength;
PCHAR Buffer;}STRING, *PSTRING;
typedef STRING ANSI_STRING, *PANSI_STRING;
typedef STRING OEM_STRING, *POEM_STRING;
操纵函数:RtlCreatUnicodeString(),RtlInitUnicodeString(),
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_*
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。
typedef struct _OBJECT_ATTRIBUTES
{
ULONG Length;
HANDLE RootDirectory;
PUNICODE_STRING ObjectName;
ULONG Attributes;
PVOID SecurityDescriptor;
PVOID SecurityQualityOfService;
} OBJECT_ATTRIBDTES, *POBJECT_ ATTRIBUTES;
typedef struct _IO_STATUS_BLOCK
{
NTSTATDS Status;
ULONG Information;
}IO_STATUS_BLOCK , * PIO_STATUS_BLOCK ;
typedef struct _LIST_ENTRY
{
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
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:
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”)
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.也感谢朋友GameHunter这位英语极好的朋友帮忙.与Free的指导