Строение ELF-файлов⚓︎

INTRODUCTION

Теория⚓︎

ELF - сокращение от "Executable and Lincable Format" - формат исполняемых и связываемых файлов. ELF определяет их структуру. Данная спецификация позволяет UNIX-подобным(/образным) системам правильно интерпретировать содержащиеся в файле машинные команды. Используется во многих операционных системах: GNU/Linux, FreeBSD, Solaris, etc.

Понимание строения ELF файла может редко пригодиться, но, тем не менее, оно будет полезно для понимания процесса разработки программного обеспечения, поиска дыр в безопасности и обнаружения подозрительных программ или файлов.

Начальное строение⚓︎

ELF файл

Для начала создадим директорию, в которой будут расположены тестовые программы, на которых будем "упражняться":

mkdir ~/LinuxPrograms
cd ~/LinuxPrograms

Типы⚓︎

Есть несколько типов ELF файлов (см. таблицы в конце статьи): * Перемещаемый файл - хранит инструкции (и данные), которые могут быть связаны с другими объектными файлами. Результатом может быть объектный или исполняемый файл. Так же к этому типу относятся объектные файлы статических библиотек. * Разделяемый объектный файл - также как и первый тип, содержит инструкции и данные, может быть связан с другими перемещаемыми и разделяемыми объектными файлами, в результате чего будет создан новый объектный файл, либо же при запуске программы ОС может динамически связывать его с исполняемым файлом программы , в результате чего будет создан исполняемый образ программы (в посл. случае речь идёт о разделяемых библиотеках). * Исполняемый файл - содержит полное описание, позволяющее ОС создать образ процесса. В т.ч.: инструкции, данные, описания необходимых разделяемых объектных файлов и др.

Для того, чтобы вывод всех команд, приведённых ниже, был краток, прост и понятен, напишите какую-нибудь простейшую программу, в которой нет ничего лишнего, что затраднит чтение:

vim simple.c

int main() {
    return(0);
}

И скомпилируйте её:

gcc -o simple simple.c

Убедитесь в том, что это ELF файл:

file simple

Структура у каждого файла может различаться. Грубо говоря, ELF файл состоит из: * Заголовка * Данных

Подробнее: * Таблица заголовков программы: 0 или более сегментов памяти (только в исполняемом файле). Сообщает, как исполняемый файл должен быть помещён в виртуальную память процесса. Это необходимо для образа процесса, исполняемых файлов и общих объектов. Для перемещаемых объектных файлов это не требуется. * Таблица заголовков разделов: 0 или более разделов. Сообщает, как и куда нужно загрузить раздел. Каждая запись раздела в таблице содержит название и размер раздела. Таблица заголовков раздела должна использоваться для файлов, используемых при редактировании ссылок. * Данные: тпблицы заголовка программы или раздела * Заголовок ELF (54/64 байта для 32/64 бит): определяет использование 32/64 бит (смотреть struct Elf32_Ehdr/struct Elf64_Ehdr в /usr/include/elf.h) * Заголовок программы: как создать образ процесса. Используются во время выполнения. Сообщают ядру или компоновщику время выполнения ld.so, что загружать в память и как найти информацию о динамической компоновке. * Заголовок разделов: используются во время компоновки или компиляции. Сообщают редактору ссылок ld, как разрашать символы и как группировать похожие потоки байтов из разных двоичных объектов ELF.

--* *--

Разделы - самые мелкие неделимые единицы в ELF файле, которые могут быть обработаны. Разделы содержат основную часть информации об объектных файлах для представления связывания. Эти данные включают инструкции, таблицу символов и информацию о перемещении. (просмотр ссылок)
Сегменты - наименьшие отдельные единицы, которые могут быть отображены в памяти с помощью exec или компоновщика. (исполняемые)

Разделы и сегменты не имеют определённого порядка в ELF. Только заголовок имеет фиксированную позицию.

При помощи утилиты readelf можно просмотреть основную информацию о файле.

Эта утилита входит в состав пакета binutils, поэтому ничего доустанавливать не надо.

Основные возможности readelf:

Просмотр заголовка файла:
```
readelf -h simple
```
Просмотр информации о сегментах и сейкиях:
```
readelf -S -W simple
```
Чтение информации о символах:
```
readelf -s -W simple
```

Заголовок⚓︎

Введите:

readelf -h simple

Заголовок

Заголовок является обязательным - он служит для того, чтобы данные корректно интерпретировались при линковке и исполнении.

Из вывода утилиты readelf следует, что заголовок начинается с т.н. магического числа (magic number). Это число содержит информацию о файле. Первые 4 байта определяют, что это ELF: 45 4c 46.

После типа файла следует поле класса (архитектура, для которой предназначен бинарник).

Значения: * 0 - некорректный класс * 1 - 32 бит * 2 - 64 бит

Ниже находится поле данных. Это зависимый от процессора метод кодирования данных.

Значения: * 0 - некорректный тип * 1 - Little Endian (LSB) * 2 - Big Endian (MSB)

Разные типы процессоров по разному обрабатывают структуры данных, а эти значения помогают правильно интерпретировать объекты в файле.

Эффект LSB становится видимым при использовании утилиты hexdump на бинарном файле. Просмотрите заголовок ELF у нашего файла simple:
hexdump -n 16 simple

Получите такой вывод:

0000000 457f 464c 0102 0001 0000 0000 0000 0000
0000010

Пары значений другие из-за интерпретации порядка данных.

Затем следует поле "Версия". На данный момент, используется только версия 01.

Каждая ОС имеет свой способ вызова функций. Что-то похоже, а что-то различается. В поле OS/ABI описываются специфичные для операционной системы или ABI расширения, используемые в файле. В некоторых других структурах ELF файла имеются флаги и поля, значения которых зависят от ОС или ABI, интерпретация этих полей определяется значением данного байта. В таблице ниже представлена таблица значений:

Значение	Описание
0	UNIX System V
1	HP-UX
2	NetBSD
3	GNU ELF (GNU/Linux)
6	Solaris
7	AIX
8	IRIX
9	FreeBSD
10	Tru64 UNIX
11	Modesto
12	OpenBSD
13	OpenVMS
15	Amiga Research OS
18	OpenVOS

При необходимости, так же может быть указана версия ABI.

В поле "Машина" указывается архитектура аппаратной платформы, для которой предназначен файл. В таблице ниже представлены некоторые из них:

Значение	Описание
0	Не определено
3	Intel 80386
20	PowerPC
21	PowerPC (64 бит)
62	x86_64

В поле "Тип" указывается предназначение файла. В таблице ниже они приведены:

Значение	Описание	Значение поля
0	Некорректный тип	---
1	Перемещаемый файл (файл до линковки)	REL
2	Исполняемый файл	EXEC
3	Разделяемый объектный файл (библиотека)	DYN
4	Core file	CORE

(смотрите блок "Типы" этой статьи, чтобы узнать больше информации).

Продолжение⚓︎

Помимо заголовка, есть данные. Оно, в свою очередь, подразделяется ещё на несколько: * программные заголовки (сегменты) * заголовки секций/секции * данные

О первых двух пунктах было уже говорено в пункте "Типы".

Для начала. Файл ELF имеет два различных «вида». Один из них предназначен для линкера и разрешает исполнение кода (сегменты). Другой предназначен для команд и данных (секции). В зависимости от цели, используется соответствующий тип заголовка. Начнём с заголовка программы, который находится в исполняемых файлах ELF.

Продолжение про заголовки программы⚓︎

ELF файл состоит из нуля и более сегментов. И описывает, как создать процесс, образ памяти для исполнения в рантайме. Когда ядро видит эти сегменты, оно размещает их в виртуальном адресном пространстве, используя системный вызов mmap...

Смотрите также:

man 2 mmap

... Т.е., конвертирует заранее подготовленные инструкции в образ памяти. Для разделяемых библиотек (shared libs) процесс схож.

И примеры заголовков:

`GNU_EH_FRAME`⚓︎

Сортированная очередь, используемая компилятором GCC. В неё хранятся обработчики исключений. Они используются для того, чтобы корректно обработать ситуацию, если что-то пошло не так.

`GNU_STACK`⚓︎

Используется для сохранения информации о стеке. Он не должен быть исполняемым, так как это может быть очень небезопасным.

Если сегмент GNU_STACK отсутствует, то используется исполняемый стек. Для того, чтобы показать детали устр-ва стека, используйте утилиты scanelf и execstack.

Смотрите также:

man scanelf

man execstack

Секции⚓︎

Секции появляются в файле после преобразования компилятором GNU C кода С в ассемблер (и ассемблер GNU создаёт объекты).

Sections

`.text`⚓︎

Содержит исполняемый код, упакованный в сегмент с правами на чтение и исполнение (но не редактирование).

`.data`⚓︎

Инициализированные данные с правами на чтение и запись.

`.bss`⚓︎

Неинициализированные данные с правами на чтение/запись

Ещё немного о секциях⚓︎

Также, некоторую информацию о секциях можно просмотреть, написав скрипт на Python с применением библиотеки lief:

#!/bin/python
import lief

binary = lief.parse("simple")
header = binary.header
print("Entry point: %08x" % header.entrypoint)
print("Architecture: ", header.machine_type)

for section in binary.sections:
    print("Section %s - size: %s bytes" % (section.name, section.size))

Запуск:

chmod +x elf.py
./elf.py

Название elf.py замените на нужное.

Вывод такой:

Lief

Смотрите также:⚓︎

man readelf
man objdump
man mmap
man hexdump
man file
man gcc