2.1 Windows PE文件

2.1.1 Windows PE文件简介

Windows可移植可执行（PE）文件是Windows系统引入并使用的标准的可执行文件格式，具备借鉴性和兼容性。关于借鉴性，Windows PE文件格式主要借鉴了UNIX操作系统所采用的通用对象文件格式（Common Object File Format，COFF）规范。这从如下事实可以看出：Microsoft Visual C++编译器产生的中间态目标文件仍使用COFF格式，经过链接后才能最终生成可执行的PE文件格式。在兼容性方面，Windows PE文件格式保留了MS-DOS操作系统中熟悉的MZ头部，以确保兼容之前的MS-DOS操作系统。此外，Windows PE文件格式有2种类型：32位的可执行文件PE32和64位的可执行文件PE+或者PE32+。

在Windows系统中，采用Windows PE文件格式的文件很多，主要包括：扩展名为EXE、SCR的可执行系列，扩展名为SYS、VXD的驱动程序系列，扩展名为DLL、OCX、CPL、DRV的链接库系列，以及扩展名为OBJ的对象文件系列。其中，OBJ文件是不可执行的，其他都是可执行的，DLL、SYS文件虽然不能直接在Shell上执行，但在调试器或服务上是可执行的。Windows PE文件的组织方式由PE文件头和PE文件体组成（见图2-1）。

2.1.2 Windows PE文件基本概念

为详细解剖Windows PE文件结构，我们使用MASM汇编语言编写一个简单的“Hello World”程序，并借此程序来学习、掌握Windows PE文件格式的相关基础知识。

“Hello World”汇编程序源代码如下：

使用MASMplus编译器编译、连接后运行结果如图2-2所示。

我们利用WinHex、PEview等工具来查看PE文件结构，并对比PE文件在磁盘和内存中的差异。在学习具体的PE文件格式之前，将常见的几个“地址”概念解释一下。

文件偏移地址（File Offset Address，FOA）：是指文件在磁盘上存放时某一地址相对于文件开头的偏移。

装载基址（Image Base）：PE文件装入内存时的基地址。默认情况下EXE文件的装载基址是0x00400000，而DLL文件的装载基址是0x10000000。这些默认装载基址是可以更改的。

虚拟内存地址（Virtual Address，VA）：PE文件中某个地址被装入内存后的地址。

相对虚拟地址（Relative Virtual AAddress，RVA）：某个地址没有计算装载基址时相对于0的偏移地址。

1.PE文件指纹

在识别一个文件是否为PE文件时，不应只看文件后缀名，而应借助PE文件指纹：“MZ”和“PE”。使用010 Editor打开一个EXE文件，可以看到文件的头两字节都是“MZ”；而在0x3C位置处保存着一个地址，查看该地址可以看到保存着“PE”。通过这两个PE文件指纹，可基本判定为PE文件（见图2-3）。

2.PE文件结构

Windows PE文件结构被组织为一个线性的数据流，主要包括4大部分：DOS部分、PE文件头、节表、节数据（见图2-4）。

利用PEview打开一个EXE文件，其左窗口中可以看到列出的PE文件完整结构（见图2-5）。

3.PE文件的两种状态

一般而言，Windows PE文件存在两种不同状态：PE磁盘文件和PE内存映像。从文件结构方面来看，存储于磁盘上的PE磁盘文件与加载至内存中运行的PE内存映像会有所不同，这主要是Windows系统存储数据时基于不同的数据对齐基准导致的。对于PE磁盘文件，文件数据一般以1个磁盘扇区（512=0x200字节）对齐的方式存储；对于加载至内存中运行的PE内存映像，文件数据一般以1个内存分页（4096=0x1000字节）对齐的方式存储。因此，PE磁盘文件中块的大小为0x200的整数倍，PE内存映像中块的大小为0x1000的整数倍，映射后实际数据的大小不变，块中剩余部分用0填充（见图2-6）。

在利用PEview打开一个EXE文件时，从IMAGE_OPTIONAL_HEADER中可以看到Section Alignment（内存节对齐）数值为0x1000，File Alignment（磁盘文件对齐）数值为0x200（见图2-7）。

为验证上述有关磁盘文件对齐与内存节对齐的知识，我们利用WinHex打开之前已创建并编译连接的HelloWorld.exe程序，且在不关闭该程序的情况下打开RAM，可看出PE磁盘文件和PE内存映像存在如下不同（见图2-8、图2-9）。

（1）偏移起始地址：磁盘文件偏移从00000000开始，而内存映像偏移从00400000开始。

（2）对齐数值：从偏移220开始，两个文件的内容都是00；但磁盘文件到偏移400处就开始出现新数据，而内存映像则要到偏移1000处才有类似数据。这印证了上述Section Alignment（内存节对齐）数值为0x1000和File Alignment（磁盘文件对齐）数值为0x200且用0填充对齐的知识点。

2.1.3 Windows PE文件结构

Windows PE文件所有与加载及运行相关的信息都体现在PE文件结构中，下面将简要介绍PE文件结构。

1.DOS头

DOS头是Windows PE文件的起始部分，是DOS时代遗留的产物，也是PE文件的一个遗传基因。DOS头结构体IMAGE_DOS_HEADER的大小为64字节（0x00-0x3F），结构如下：

DOS头主要用于16位系统中，在32位系统中DOS头成为冗余数据（可填充任意数据），但有两个重要成员（PE文件指纹）：e_magic字段（偏移0x0）和e_lfanew字段（偏移0x3C）。

（1）e_magic：保存DOS签名“MZ”（0x4D5A）。

（2）e_lfanew：保存PE文件头地址，可通过这个地址找到PE文件头及其标识“PE”。

我们利用PEview工具打开任意一个EXE文件，可以看到其DOS头信息（见图2-10）。

2.DOS存根

为兼容DOS系统，PE文件结构增加了DOS存根（DOS Stub）部分（见图2-11）。DOS存根区域大小为112字节（0x40-0xAF），其数据由链接器自动填充（也可填充任意数据），是一段可以在DOS下运行的代码，用于向终端输出一行提示信息：This program cannot be run in DOS mode。

我们从00～A0这段十六进制数另存为一个单独的文件——DOS.bin（见图2-12）。

利用IDA Pro工具打开这个DOS.bin文件，即可查看其反汇编后的代码，可以看到它先调用DOS的9号中断用于在屏幕上显示上述提示字符，再调用4C号中断退出程序（见图2-13）。

其实，在DOS头和DOS Stub程序部分，最重要的只有两个字段：e_magic（偏移0x00）保存DOS签名“MZ”（0x4D5A），e_lfanew（偏移0x3C）保存PE文件头地址。如果只保留这两个字段，将偏移0x00～0xB0区间的剩余字段随意填充数据，PE文件仍可正常运行。

图2-14、图2-15分别为HelloWorld.exe的0x00～0xB0区间的原有十六进制数值和仅保留偏移0x00处的DWORD字段e_magic值和偏移0x3C处的DWORD字段e_lfanew值而删除剩余其他字段值的HelloWorld.exe。

将修改后的HelloWorld.exe保存并运行，可发现该程序仍能正常运行，且运行结果与原程序相同（见图2-16）。

3.PE文件头

PE文件头（NT头）是真正的Win32程序格式头部，其中包括PE格式的各种信息，用于指导系统如何装载和执行此程序代码。PE文件头的结构体IMAGE_NT_HEADER中还包含两个其他结构体，占用248字节，IMAGE_NT_HEADER结构体如下：

PE文件头只有3个字段。

1）Signature

Signature类似于DOS头中的e_magic，其高16位是0，低16位是0x00004550，用ASCII码字符表示为“PE00”，用于标识PE文件头的开始（见图2-17）。

2）FileHeader

FileHeader定义了PE文件的一些基本信息和属性，这些属性会在PE加载器加载时用到。当PE加载器检测到PE文件头中定义的一些属性不满足当前运行环境时，就会终止加载该PE文件。PE文件头结构体IMAGE_FILE_HEADER大小为20字节，在微软的官方文档中被称为标准通用对象文件格式（COFF），定义如下：

PE文件的FileHeader结构体中有以下几个重要的字段。

Machine： 表示运行于什么CPU上，0代表任意，0x014C代表Intel 386及后续CPU，0x8664代表x64系列CPU。

NumberOfSections： 表示该文件中节的数量。

SizeOfOptionalHeader： 表示其后的IMAGE_OPTIONAL_HEADER32结构的大小，32位为0xE0，64位为0xF0。

Characteristics： 表示文件属性（见表2-1）。

PE文件的文件头信息如下（见图2-18）。

3）OptionalHeader

OptionalHeader是PE可选头。尽管称为可选头，但其实是不可或缺的字段。在不同系统平台下，其结构体表示不一样，如32位下是IMAGE_OPTIONAL_HEADER32，而在64位下是IMAGE_OPTIONAL_HEADER64。

PE可选头中重要的字段：IMAGE_OPTIONAL_HEADER结构体的大小由IMAGE_FILE_HEADER结构的SizeOfOptionalHeader字段记录。以32位IMAGE_OPTIONAL_HEADER32说明如下。

Magic ：表示文件类型。32位PE文件数值为0x010B，64位PE文件数值为0x020B，ROM映像文件数值为0x0107。

AddressOfEntryPoint ：表示程序入口的相对虚拟地址（Relative Virtual Address，RVA）。在大多数可执行文件中，该地址不直接指向Main、WinMain或DLLMain函数，而指向运行时的库代码并由它来调用上述函数。

ImageBase ：表示内存镜像基址，通常为0x00400000，也可在链接时自己设置。ImageBase+AddressOfEntryPoint=程序实际运行入口地址（使用OllyDBG调试程序时就从这个地址开始运行）。

Section Alignment ：表示内存对齐数值，一般为4KB，即内存页大小。

File Alignment ：表示磁盘文件对齐数值，一般为512字节，即扇区大小，现在多为4KB。

NumberOfRvaAndSizes ：表示数据目录项数目。

DataDirectory [16]：数据目录表，由数个相同的IMAGE_DATA_DIRECTORY结构组成，指向输出表、输入表、资源块、重定位表等。

IMAGE_DATA_DIRECTORY结构体定义如下：

PE文件的可选头大小为224字节（见图2-19）。

4.节表

PE文件中的代码数据按照不同属性存在不同的节中。节类似于容器，用于存储PE文件的真正程序部分（代码和数据），且每个节可拥有独立的内存权限、节的名字。如果PE文件头的NumberOfSections值中有 N 个节，则节表就由 N 个IMAGE_SECTION_HEADER结构组成。每个IMAGE_SECTION_HEADER结构大小为40字节，存储了它所关联的节的信息，如位置、长度、属性等。

IMAGE_SECTION_HEADER结构体定义如下：

该结构体中重要的字段有以下几个。

Name[8] ：表示节的名字，如.text、.data等。

VirtualSize ：表示加载到内存中实际节的大小（对齐前）。

VirtualAddress ：表示该节装载到内存中的RVA（内存对齐后，数值总是Section Alignment的整数倍）。

SizeOfRawData ：表示该节在文件中所占的空间（文件对齐后），VirtualSize的值可能会比SizeOfRawData大，如bss节（SizeOfRawData为0）。

PointerToRawData ：表示该节在文件中的偏移（FOA）。

Characteristics ：表示节的属性，如代码/数据、可读/可写等（见表2-2）。

在PE文件结构中，经常会用到3个地址：VA表示虚拟内存地址；RVA表示相对虚拟地址，即相对于基地址的偏移地址；FOA表示文件偏移地址。

三者的转换步骤为：

（1）计算RVA=VA-ImageBase。

（2）若RVA位于PE头部（DOS头、DOS Stub、PE头、节表），则FOA==RVA。

（3）判断RVA位于哪个节。如RVA>=节.VirtualAddress（节在内存对齐后RVA）且RVA<=节.VirtualAddress+当前节内存对齐后的大小，则偏移量=RVA-节.VirtualAddress。

（4）FOA=节.PointerToRawData+偏移量。对于计算机病毒来说，由于已设定初始值的全局变量，其初始值会存储在PE文件中，如欲修改PE文件中全局变量的数据值，只需要找到文件中存储全局变量值的地方进行修改即可。

在上述关于PE文件可选PE头（IMAGE_OPTIONAL_HEADER）的介绍中，已提到其最后一个字段DataDirectory[16]代表数据目录表，由16个相同的IMAGE_DATA_DIRECTORY结构组成。

IMAGE_DATA_DIRECTORY结构体定义如下：

DataDirectory[16]数据目录表中的成员分别指向输出表、输入表、重定位表、资源表等信息，这些信息与PE文件的加载及执行息息相关。

1）输出表（导出表）

DataDirectory[16]数据目录表中的第1个成员指向输出表（导出表）。在创建一个动态链接库（Dynamic Link Library，DLL）时，实际上创建了一组能让EXE文件或其他DLL调用的函数。DLL文件通过输出表（Export Table）向系统提供输出函数名、序号和入口地址等信息。

输出表是一个40字节的结构体IMAGE_EXPORT_DIRECTORY，定义如下：

输出表中的输出函数名、序号和入口地址的查询如下（见图2-20）。

2）输入表（导入表）

DataDirectory[16]数据目录表中的第2个成员指向输入表（导入表）。当PE文件加载至内存后，Windows系统将相应的DLL文件装入，EXE文件通过“输入表”找到相应的DLL中的导入函数，从而完成程序的正常运行。当前文件依赖几个DLL模块，就会有几个输入表且连续排列直到连续出现20个0结束。

输入表是一个20字节的结构体IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR，定义如下：

输入表有以下几个重要字段。

Name ：DLL（依赖模块）名字的指针，一个以“00”结尾的ASCII字符的RVA地址。

OriginalFirstThunk ：指向输入函数名称表（Imported Name Table，INT）的RVA。INT是一个IMAGE_THUNK_DATA结构的数组，数组中的每个IMAGE_THUNK_DATA结构都指向IMAGE_IMPORT_BY_NAME结构，数组以一个内容为0的IMAGE_THUNK_DATA结构结束。

FirstThunk ：指向输入地址表（Imported Address Table，AT）的RVA。IAT是一个IMAGE_THUNK_DATA结构的数组。

IMAGE_THUNK_DATA结构实际只占4字节，定义如下：

如果IMAGE_THUNK_DATA32的最高位为1，则第31位代表函数的导出序号，否则4字节是一个RVA，指向IMAGE_IMPORT_BY_NAME结构。

IMAGE_IMPORT_BY_NAME结构体仅有4字节，存储了一个输入函数的相关信息，定义如下：

INT和IAT内容一致表示PE文件处于未加载状态，当PE加载器将文件载入内存后会向IAT填入真正的函数地址（GetProcAddress）。输入表中的函数名称及其入口地址的查询转换关系如图2-21所示。

3）重定位表

尽管在PE文件的可选头中设置有ImageBase值，但如果PE文件不在首选地址（ImageBase）载入，文件中的每一个绝对地址都需要重新修正。由于需要修正的地址很多，就需要在文件中使用重定位表记录这些绝对地址的位置。在载入内存后，若载入基地址与ImageBase不同，就需要修正这些地址，若相同则无须修正。

DataDirectory[16]数据目录表中的第6个成员指向重定位表（Relocation Table）。重定位表由一个个的重定位块组成，每个块记录了4KB（1页）的内存中需要重定位的地址。每个重定位块的大小必须以DWORD（4字节）对齐。它们以一个IMAGE_BASE_RELOCATION结构开始，格式定义如下：

尽管可能有多种重定位类型，但对x86可执行文件来说，所有的基址重定位类型都是IMAGE_REL_BASED_HIGHLOW，即第3种类型，并会以IMAGE_REL_BASED_ABSOLUTE类型来结束重定位。IMAGE_REL_BASED_ABSOLUTE重定位什么都不做，只用于填充，以便下一个IMAGE_BASE_RELOCATION按4字节分界线对齐。对于IA-64可执行文件，重定位类型总是IMAGE_REL_BASED_DIR64。尽管IA-64的EXE页大小是8KB，但基址重定位仍是4KB的块。重定位类型定义如下：

在执行PE文件前，加载程序在进行重定位时，会用PE文件在内存中的实际映像地址减去PE文件所要求的映像地址，根据重定位类型的不同，将差值添加到相应的地址数据中。由此可见，重定位表的作用为：PE文件加载至内存后，通过重定位表记录的RVA找到需要重定位的数据。重定位表通过“页基址RVA+页内偏移地址”的方式得到一个完整RVA，以减小表的大小（见图2-22）。

4）资源表

Windows程序的各种界面被称为资源，包括加速键（Accelerator）、位图（Bitmap）、光标（Cursor）、对话框（Dialog Box）、图标（Icon）、菜单（Menu）、串表（String Table）、工具栏（Toolbar）和版本信息（Version Information）等。

定义资源时，既可用字符串作为名称来标识一个资源，也可通过ID号来标识资源（见表2-3）。

DataDirectory[16]数据目录表中的第3个成员指向资源表（Resource Table），不是直接指向资源数据，而是以磁盘目录形式定位资源数据。资源表是一个四层的二叉排序树结构（见图2-23）。

每个节点都由资源目录结构和紧随其后的数个资源目录项结构组成，两种结构组成一个资源目录结构单元（目录块）（见图2-24）。

资源目录结构（IMAGE_RESOURCE_DIRECTORY）占16字节，其定义如下：

资源目录项结构（IMAGE_RESOURCE_DIRECTORY_ENTRY），占8字节，包含2个字段，结构定义如下： CsLNQ51sBdVCpXYGjY/4OYPYUjXFtUooB2lO5Dgug/dWfOPK3Em7uA4o7hMGQerH