PE结构讲解--section table 和 section

简介: 本文为转载文章,整理自小甲鱼老师讲的PE结构课程; 一、PE文件到内存的映射: 在执行一个PE文件的时候,windows 并不在一开始就将整个文件读入内存的,而是采用与内存映射文件类似的机制。也就是说,windows 装载器在装载的时候仅仅建立好虚拟地址和PE文件之间的映射关系。
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本文为转载文章,整理自小甲鱼老师讲的PE结构课程;


一、PE文件到内存的映射:


在执行一个PE文件的时候,windows 并不在一开始就将整个文件读入内存的,而是采用与内存映射文件类似的机制。也就是说,windows 装载器在装载的时候仅仅建立好虚拟地址和PE文件之间的映射关系。当且仅当真正执行到某个内存页中的指令或者访问某一页中的数据时,这个页面才会被从磁盘提交到物理内存,这种机制使文件装入的速度和文件大小没有太大的关系。

但是要注意的是,系统装载可执行文件的方法又不完全等同于内存映射文件。当使用内存映射文件的时候,系统对“原著”相当忠实,如果将磁盘文件和内存映像比较的话,可以发现不管是数据本身还是数据之间的相对位置都是完全相同的。而我们知道,在装载可执行文件的时候,有些数据在装入前会被预处理,如重定位等,正因此,装入以后,数据之间的相对位置可能发生微妙的变化。Windows 装载器在装载DOS部分、PE文件头部分和节表(区块表)部分是不进行任何特殊处理的,而在装载节(区块)的时候则会自动按节(区块)的属性做不同的处理。


一般情况下,它会处理以下几个方面的内容:

  • 内存页的属性;
  • 节的偏移地址;
  • 节的尺寸;
  • 不进行映射的节。

内存页的属性:

对于磁盘映射文件来说,所有的页都是按照磁盘映射文件函数指定的属性设置的。但是在装载可执行文件时,与节对应的内存页属性要按照节的属性来设置。所以,在同属于一个模块的内存页中,从不同节映射过来的的内存页的属性是不同的。


节的偏移地址:

节的起始地址在磁盘文件中是按照 IMAGE_OPTIONAL_HEADER32 结构的 FileAlignment 字段的值进行对齐的,而当被加载到内存中时是按照同一结构中的 SectionAlignment 字段的值对其的,两者的值可能不同,所以一个节被装入内存后相对于文件头的偏移和在磁盘文件中的偏移可能是不同的。

注意,节事实上就是相同属性数据的组合!当节被装入到内存中的时候,相同一个节所对应的内存页都将被赋予相同的页属性, 事实上,Windows 系统对内存属性的设置是以页为单位进行的,所以节在内存中的对齐单位必须至少是一个页的大小。(小甲鱼温馨提示:对于32位操作系统来说,这个值一般是4KB==1000H; 对于64位操作系统这个值一般是8KB==2000H)


在磁盘中就没有这个限制,因为在磁盘中排放是以什么为主?肯定是以空间为主导,在磁盘只是存放,不是使用,所以不用设置那么详细的属性。试想想看,如果在磁盘中都是以4KB为大小对齐的话,不够就用0来填充,那么一个只占20字节的数据就要消耗4KB的空间来存放,是不是浪费?有木有??


节的尺寸:

对节的尺寸的处理主要分为两个方面:

第一个方面,正如刚刚我们所讲的,由于磁盘映像和内存映像中节对齐存储单位的不同而导致了长度扩展不同(填充的0数量不同嘛~);

第二个方面,是对于包含未初始化数据的节的处理问题。既然是未初始化,那么没有必要为其在磁盘中浪费空间资源,但在内存中不同,因为程序一运行,之前未初始化的数据便有可能要被赋值初始化,那么就必须为他们留下空间。


不进行映射的节:

有些节并不需要被映射到内存中,例如.reloc节,重定位数据对于文件的执行代码来说是透明的,无作用的,它只是提供Windows 装载器使用,执行代码根本不会去访问到它们,所以没有必要将他们映射到物理内存中。


二、节表(区块表 section table):


PE文件中所有节的属性都被定义在节表中,节表由一系列的IMAGE_SECTION_HEADER结构排列而成,每个结构用来描述一个节,结构的排列顺序和它们描述的节在文件中的排列顺序是一致的。全部有效结构的最后以一个空的IMAGE_SECTION_HEADER结构作为结束,所以节表中总的IMAGE_SECTION_HEADER结构数量等于节的数量加一。节表总是被存放在紧接在PE文件头的地方。

另外,节表中 IMAGE_SECTION_HEADER 结构的总数总是由PE文件头 IMAGE_NT_HEADERS 结构中的 FileHeader.NumberOfSections 字段来指定的。

根据偏移量,可以算出每一个IMAGE_SECTION_HEADER占40(28H)个字节

typedef struct _IMAGE_SECTION_HEADER

{

BYTE   Name[IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME]; // 节表名称,如“.text”

//IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME=8

union
{

DWORD PhysicalAddress; // 物理地址

DWORD VirtualSize; // 真实长度,这两个值是一个联合结构,可以使用其中的任何一个,一般是取后一个

} Misc;

DWORD VirtualAddress; // 节区的 RVA 地址

DWORD SizeOfRawData; // 在文件中对齐后的尺寸

DWORD PointerToRawData; // 在文件中的偏移量

DWORD PointerToRelocations; // 在OBJ文件中使用,重定位的偏移

DWORD PointerToLinenumbers; // 行号表的偏移(供调试使用地)

WORD NumberOfRelocations; // 在OBJ文件中使用,重定位项数目

WORD NumberOfLinenumbers; // 行号表中行号的数目

DWORD Characteristics; // 节属性如可读,可写,可执行等} IMAGE_SECTION_HEADER, *PIMAGE_SECTION_HEADER;



Name:区块名。这是一个由8位的ASCII 码名,用来定义区块的名称。多数区块名都习惯性以一个“.”作为开头(例如:.text),这个“.” 实际上是不是必须的。值得我们注意的是,如果区块名超过 8 个字节,则没有最后的终止标志“NULL” 字节。并且前边带有一个“$” 的区块名字会从连接器那里得到特殊的待遇,前边带有“$” 的相同名字的区块在载入时候将会被合并,在合并之后的区块中,他们是按照“$” 后边的字符的字母顺序进行合并的。
另外小甲鱼童鞋要跟大家啰嗦一下的是:
每个区块的名称都是唯一的,不能有同名的两个区块。但事实上节的名称不代表任何含义,他的存在仅仅是为了正规统一编程的时候方便程序员查看方便而设置的一个标记而已。所以将包含代码的区块命名为“.Data” 或者说将包含数据的区块命名为“.Code” 都是合法的。
因此,小甲鱼建议大家:
当我们要从PE 文件中读取需要的区块时候,不能以区块的名称作为定位的标准和依据,正确的方法是按照 IMAGE_OPTIONAL_HEADER32 结构中的数据目录字段结合进行定位

Virtual Size(VSize):对表对应的区块的大小,这是区块的数据在没有进行对齐处理前的实际大小。
Virtual Address(VOffset):该区块装载到内存中的RVA 地址。这个地址是按照内存页来对齐的,因此它的数值总是 SectionAlignment 的值的整数倍。在Microsoft 工具中,第一个块的默认 RVA 总为1000h。在OBJ 中,该字段没有意义地,并被设为0。
SizeOfRawData(RSize):该区块在磁盘中所占的大小。在可执行文件中,该字段是已经被FileAlignment 潜规则处理过的长度。

PointerToRawData(ROffset):该区块在磁盘中的偏移。这个数值是从文件头开始算起的偏移量哦。


PointerToRelocations:这哥们在EXE文件中没有意义,在OBJ 文件中,表示本区块重定位信息的偏移值。(在OBJ 文件中如果不是零,它会指向一个IMAGE_RELOCATION 结构的数组)
PointerToLinenumbers:行号表在文件中的偏移值,文件的调试信息,于我们没用,鸡肋。
NumberOfRelocations:这哥们在EXE文件中也没有意义,在OBJ 文件中,是本区块在重定位表中的重定位数目来着。
NumberOfLinenumbers:该区块在行号表中的行号数目,鸡肋。
Characteristics:该区块的属性。该字段是按位来指出区块的属性(如代码/数据/可读/可写等)的标志。

PointerToRelocations:这哥们在EXE文件中没有意义,在OBJ 文件中,表示本区块重定位信息的偏移值。(在OBJ 文件中如果不是零,它会指向一个IMAGE_RELOCATION 结构的数组)
PointerToLinenumbers:行号表在文件中的偏移值,文件的调试信息,于我们没用,鸡肋。
NumberOfRelocations:这哥们在EXE文件中也没有意义,在OBJ 文件中,是本区块在重定位表中的重定位数目来着。
NumberOfLinenumbers:该区块在行号表中的行号数目,鸡肋。
Characteristics:该区块的属性。该字段是按位来指出区块的属性(如代码/数据/可读/可写等)的标志。


三、节(区块 section ):
通常,区块中的数据在逻辑上是关联的。PE文件一般至少都会有两个区块:一个是代码块,另一个是数据块。每一个区块都需要有一个截然不同的名字,这个名字主要是用来表达区块的用途。例如有一个区块叫.rdata,表明他是一个只读区块。
注意:区块在映像中是按起始地址(RVA)来排列的,而不是按字母表顺序。

另外,使用区块名字只是人们为了认识和编程的方便,而对操作系统来说这些是无关紧要的。微软给这些区块取了个有特色的名字,但这不是必须的。当编程从PE文件中读取需要的内容时,如输入表、输出表,不能以区块名字作为参考,正确的方法是按照数据目录表中的字段来进行定位

合并区块:
链接器的一个有趣特征就是能够合并区块。如果两个区块有相似、一致性的属性,那么它们在链接的时候能被合并成一个单一的区块。这取决于是否开启编译器的 /merge 开关。事实上合并区块有一个好处就是可以节省磁盘的内存空间……注意:我们不应该将.rsrc、.reloc、.pdata 合并到其他的区块里。


区块的对齐值:
之前我们简单了解过区块是要对齐的,无论是在内存中存放还是在磁盘中存放~但他们一般的对齐值是不同的。

PE 文件头里边的FileAligment 定义了磁盘区块的对齐值。每一个区块从对齐值的倍数的偏移位置开始存放。而区块的实际代码或数据的大小不一定刚好是这么多,所以在多余的地方一般以00h 来填充,这就是区块间的间隙。
例如,在PE文件中,一个典型的对齐值是200h ,这样,每个区块都将从200h 的倍数的文件偏移位置开始,假设第一个区块在400h 处,长度为90h,那么从文件400h 到490h 为这一区块的内容,而由于文件的对齐值是200h,所以为了使这一区块的长度为FileAlignment 的整数倍,490h 到 600h 这一个区间都会被00h 填充,这段空间称为区块间隙,下一个区块的开始地址为600h 。

PE 文件头里边的SectionAligment 定义了内存中区块的对齐值。PE 文件被映射到内存中时,区块总是至少从一个页边界开始。
一般在X86 系列的CPU 中,页是按4KB(1000h)来排列的;在IA-64 上,是按8KB(2000h)来排列的。所以在X86 系统中,PE文件区块的内存对齐值一般等于 1000h,每个区块按1000h 的倍数在内存中存放。



四、RVA和文件偏移:


RVA 是当PE 文件被装载到内存中后,某个数据位置相对于文件头的偏移量。举个例子,如果 Windows 装载器将一个PE 文件装入到 00400000h 处的内存中,而某个区块中的某个数据被装入 0040xxxh 处,那么这个数据的 RVA 就是(0040xxxh - 00400000h )= xxxh,反过来说,将 RVA 的值加上文件被装载的基地址,就可以找到数据在内存中的实际地址。
注意:DOS 文件头、PE 文件头和section table的偏移位置与大小均没有变化。而各个区块映射到内存后,其偏移位置就发生了变化。


如何换算 RVA 和文件偏移呢?

当处理PE文件时候,任何的 RVA必须经过到文件偏移的换算,才能用来定位并访问文件中的数据,但换算却无法用一个简单的公式来完成,事实上,唯一可用的方法就是最土最笨的方法:

步骤一:循环扫描区块表得出每个区块在内存中的起始 RVA(根据IMAGE_SECTION_HEADER 中的VirtualAddress 字段),并根据区块的大小(根据IMAGE_SECTION_HEADER 中的SizeOfRawData 字段)算出区块的结束RVA(两者相加即可),最后判断目标 RVA 是否落在该区块内。


步骤二:通过“步骤一”定位了目标 RVA 处于具体的某个区块中后,那么用目标 RVA 减去该区块的起始 RVA ,这样就能得到目标 RVA 相对于起始地址的偏移量 RVA2.


步骤三:在区块表中获取该区块在文件中所处的偏移地址(根据IMAGE_SECTION_HEADER 中的PointerToRawData 字段), 将这个偏移值加上“步骤二”得到的 RVA2 值,就得到了真正的文件偏移地址。




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