Κατανόηση της μορφής αρχείου ELF

Από τον πηγαίο κώδικα στον δυαδικό κώδικα

Ο προγραμματισμός ξεκινά με την έξυπνη ιδέα και τη σύνταξη πηγαίου κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού της επιλογής σας, για παράδειγμα C, και την αποθήκευση του πηγαίου κώδικα σε ένα αρχείο. Με τη βοήθεια ενός κατάλληλου μεταγλωττιστή, για παράδειγμα GCC, ο πηγαίος κώδικας μεταφράζεται πρώτα σε κώδικα αντικειμένου. Τελικά, ο σύνδεσμος μεταφράζει τον κώδικα αντικειμένου σε δυαδικό αρχείο που συνδέει τον κώδικα αντικειμένου με τις βιβλιοθήκες που αναφέρονται. Αυτό το αρχείο περιέχει τις μεμονωμένες οδηγίες ως κωδικό μηχανήματος που γίνονται κατανοητές από την CPU και εκτελούνται μόλις εκτελεστεί το μεταγλωττισμένο πρόγραμμα.

Το δυαδικό αρχείο που αναφέρθηκε παραπάνω ακολουθεί μια συγκεκριμένη δομή και ένα από τα πιο συνηθισμένα ονομάζεται ELF που συντομεύει το εκτελέσιμο και το σύνδεσμο μορφής. Χρησιμοποιείται ευρέως για εκτελέσιμα αρχεία, μετακινούμενα αρχεία αντικειμένων, κοινόχρηστες βιβλιοθήκες και κεντρικές αποθέσεις.

Πριν από είκοσι χρόνια-το 1999-το έργο 86open επέλεξε το ELF ως την τυπική μορφή δυαδικού αρχείου για συστήματα που μοιάζουν με Unix και Unix σε επεξεργαστές x86. Ευτυχώς, η μορφή ELF είχε τεκμηριωθεί στο παρελθόν τόσο στη δυαδική διεπαφή εφαρμογής V System, όσο και στο πρότυπο διεπαφής εργαλείου [4]. Αυτό το γεγονός απλοποίησε πάρα πολύ τη συμφωνία τυποποίησης μεταξύ των διαφόρων προμηθευτών και προγραμματιστών λειτουργικών συστημάτων που βασίζονται στο Unix.

Ο λόγος πίσω από αυτήν την απόφαση ήταν ο σχεδιασμός του ELF-ευελιξία, δυνατότητα επέκτασης και υποστήριξη μεταξύ πλατφορμών για διαφορετικές μορφές και μεγέθη διευθύνσεων. Ο σχεδιασμός του ELF δεν περιορίζεται σε έναν συγκεκριμένο επεξεργαστή, σύνολο εντολών ή αρχιτεκτονική υλικού. Για μια λεπτομερή σύγκριση των εκτελέσιμων μορφών αρχείων, ρίξτε μια ματιά εδώ [3].

Από τότε, η μορφή ELF χρησιμοποιείται από διάφορα λειτουργικά συστήματα. Μεταξύ άλλων, αυτό περιλαμβάνει Linux, Solaris/Illumos, Free-, Net- και OpenBSD, QNX, BeOS/Haiku και Fuchsia OS [2]. Επιπλέον, θα το βρείτε σε φορητές συσκευές με λειτουργικό σύστημα Android, Maemo ή Meego OS/Sailfish OS καθώς και σε κονσόλες παιχνιδιών όπως το PlayStation Portable, Dreamcast και Wii.

Οι προδιαγραφές δεν διευκρινίζουν την επέκταση ονόματος αρχείου για αρχεία ELF. Χρησιμοποιείται μια ποικιλία συνδυασμών γραμμάτων, όπως .axf, .bin, .elf, .o, .prx, .puff, .ko, .so, και .mod, ή κανένας.

Η δομή ενός αρχείου ELF

Σε ένα τερματικό Linux, το man man elf σας δίνει μια εύχρηστη περίληψη σχετικά με τη δομή ενός αρχείου ELF:

Λίστα 1: Η διαχείριση της δομής ELF

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω περιγραφή, ένα αρχείο ELF αποτελείται από δύο ενότητες - μια κεφαλίδα ELF και δεδομένα αρχείου. Η ενότητα δεδομένων αρχείων μπορεί να αποτελείται από έναν πίνακα κεφαλίδας προγράμματος που περιγράφει μηδέν ή περισσότερα τμήματα, έναν πίνακα κεφαλίδας ενότητας που περιγράφει μηδέν ή περισσότερα τμήματα, που ακολουθείται από δεδομένα που αναφέρονται από καταχωρήσεις από τον πίνακα κεφαλίδων προγράμματος και πίνακα κεφαλίδας ενότητας. Κάθε τμήμα περιέχει πληροφορίες που είναι απαραίτητες για την εκτέλεση του αρχείου, ενώ οι ενότητες περιέχουν σημαντικά δεδομένα για σύνδεση και μετεγκατάσταση. Το σχήμα 1 το απεικονίζει σχηματικά.

Η κεφαλίδα του ELF

Η κεφαλίδα ELF έχει μήκος 32 byte και προσδιορίζει τη μορφή του αρχείου. Ξεκινά με μια ακολουθία τεσσάρων μοναδικών byte που είναι 0x7F ακολουθούμενη από 0x45, 0x4c και 0x46 που μεταφράζεται στα τρία γράμματα E, L και F. Μεταξύ άλλων τιμών, η κεφαλίδα υποδεικνύει επίσης εάν πρόκειται για αρχείο ELF για 32 ή Μορφή 64-bit, χρησιμοποιεί μικρή ή μεγάλη ενδυναμία, δείχνει την έκδοση ELF καθώς και για ποιο λειτουργικό σύστημα έχει συνταχθεί το αρχείο προκειμένου να λειτουργήσει με τη σωστή δυαδική διεπαφή εφαρμογής (ABI) και το σύνολο εντολών cpu.

Το hexdump του δυαδικού αρχείου αφής φαίνεται ως εξής:

. Κατάλογος 2: Το hexdump του δυαδικού αρχείου

Το Debian GNU/Linux προσφέρει την εντολή readelf που παρέχεται στο πακέτο GNU ‘binutils’. Συνοδεύεται από το διακόπτη -h (σύντομη έκδοση για –file -header) εμφανίζει όμορφα την κεφαλίδα ενός αρχείου ELF. Η λίστα 3 απεικονίζει αυτό για το άγγιγμα εντολών.

. Λίστα 3: Εμφάνιση της κεφαλίδας ενός αρχείου ELF

Η κεφαλίδα του προγράμματος

Η κεφαλίδα προγράμματος δείχνει τα τμήματα που χρησιμοποιούνται κατά την εκτέλεση και λέει στο σύστημα πώς να δημιουργήσει μια εικόνα διεργασίας. Η κεφαλίδα από τη λίστα 2 δείχνει ότι το αρχείο ELF αποτελείται από 9 κεφαλίδες προγράμματος που έχουν μέγεθος 56 bytes η κάθε μία και η πρώτη κεφαλίδα ξεκινά από το byte 64.

Και πάλι, η εντολή readelf βοηθά στην εξαγωγή των πληροφοριών από το αρχείο ELF. Ο διακόπτης -l (συντομογραφία -κεφαλίδες προγράμματος ή -τομέα) αποκαλύπτει περισσότερες λεπτομέρειες όπως φαίνεται στην Λίστα 4.

. Λίστα 4: Εμφάνιση πληροφοριών σχετικά με τις κεφαλίδες του προγράμματος

Η κεφαλίδα της ενότητας

Το τρίτο μέρος της δομής ELF είναι η κεφαλίδα τμήματος. Εννοείται ότι απαριθμεί τα μεμονωμένα τμήματα του δυαδικού. Ο διακόπτης -S (συντομογραφία -κεφαλίδες τμήματος ή –ενότητες) παραθέτει τις διαφορετικές κεφαλίδες. Όσον αφορά την εντολή αφής, υπάρχουν 27 κεφαλίδες ενοτήτων και η λίστα 5 δείχνει τις τέσσερις πρώτες από αυτές συν την τελευταία, μόνο. Κάθε γραμμή καλύπτει το μέγεθος της ενότητας, τον τύπο της ενότητας καθώς και τη μετατόπιση της διεύθυνσης και της μνήμης της.

. Λίστα 5: Λεπτομέρειες τμήματος που αποκαλύπτονται από το readelf

Εργαλεία για την ανάλυση ενός αρχείου ELF

Όπως ίσως έχετε παρατηρήσει από τα παραπάνω παραδείγματα, το GNU/Linux είναι εξοπλισμένο με μια σειρά από χρήσιμα εργαλεία που σας βοηθούν να αναλύσετε ένα αρχείο ELF. Ο πρώτος υποψήφιος που θα ρίξουμε μια ματιά είναι το βοηθητικό πρόγραμμα αρχείων.

Το αρχείο εμφανίζει βασικές πληροφορίες σχετικά με τα αρχεία ELF, συμπεριλαμβανομένης της αρχιτεκτονικής συνόλου εντολών για την οποία προορίζεται ο κώδικας σε μετακινούμενο, εκτελέσιμο ή κοινόχρηστο αρχείο αντικειμένου. Στην λίστα 6 σας λέει ότι το/bin/touch είναι ένα εκτελέσιμο αρχείο 64-bit μετά την Linux Standard Base (LSB), δυναμικά συνδεδεμένο και κατασκευασμένο για τον πυρήνα GNU/Linux έκδοση 2.6.32.

. Λίστα 6: Βασικές πληροφορίες χρησιμοποιώντας αρχείο

Ο δεύτερος υποψήφιος είναι αυτοδιάβαστος. Εμφανίζει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με ένα αρχείο ELF. Η λίστα των διακοπτών είναι συγκριτικά μεγάλη και καλύπτει όλες τις πτυχές της μορφής ELF. Χρησιμοποιώντας το διακόπτη -n (συντομογραφία –notes) Η λίστα 7 εμφανίζει τις ενότητες σημείωσης, μόνο, που υπάρχουν στην αφή του αρχείου -την ετικέτα έκδοσης ABI και το κείμενο συμβολοσειράς bit ID.

. Λίστα 7: Εμφάνιση επιλεγμένων τμημάτων ενός αρχείου ELF

Σημειώστε ότι στο Solaris και το FreeBSD, το βοηθητικό πρόγραμμα elfdump [7] αντιστοιχεί στο readelf. Από το 2019, δεν υπήρξε νέα έκδοση ή ενημέρωση από το 2003.

Ο αριθμός τρία είναι το πακέτο με το όνομα elfutils [6] που είναι καθαρά διαθέσιμο για Linux. Παρέχει εναλλακτικά εργαλεία στο GNU Binutils και επιτρέπει επίσης την επικύρωση αρχείων ELF. Σημειώστε ότι όλα τα ονόματα των βοηθητικών προγραμμάτων που παρέχονται στο πακέτο ξεκινούν με eu για «elf utils».

Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό θα αναφέρουμε το objdump. Αυτό το εργαλείο είναι παρόμοιο με το readelf αλλά εστιάζει σε αρχεία αντικειμένων. Παρέχει παρόμοιο εύρος πληροφοριών σχετικά με αρχεία ELF και άλλες μορφές αντικειμένων.

. Λίστα 8: Οι πληροφορίες αρχείου εξάγονται από το objdump

Υπάρχει επίσης ένα πακέτο λογισμικού που ονομάζεται ‘elfkickers’ [9] το οποίο περιέχει εργαλεία για την ανάγνωση του περιεχομένου ενός αρχείου ELF καθώς και τον χειρισμό του. Δυστυχώς, ο αριθμός των κυκλοφοριών είναι μάλλον χαμηλός και γι 'αυτό το αναφέρουμε απλώς και δεν παρουσιάζουμε περαιτέρω παραδείγματα.

Ως προγραμματιστής, μπορείτε να ρίξετε μια ματιά στο «pax-utils» [10,11]. Αυτό το σύνολο βοηθητικών προγραμμάτων παρέχει μια σειρά εργαλείων που βοηθούν στην επικύρωση αρχείων ELF. Για παράδειγμα, το dumpelf αναλύει το αρχείο ELF και επιστρέφει ένα αρχείο κεφαλίδας C που περιέχει τις λεπτομέρειες - δείτε το σχήμα 2.

συμπέρασμα

Χάρη στον συνδυασμό έξυπνου σχεδιασμού και εξαιρετικής τεκμηρίωσης, η μορφή ELF λειτουργεί πολύ καλά και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται μετά από 20 χρόνια. Τα βοηθητικά προγράμματα που εμφανίζονται παραπάνω σας επιτρέπουν να δείτε μια εικόνα σε ένα αρχείο ELF και σας επιτρέπουν να καταλάβετε τι κάνει ένα πρόγραμμα. Αυτά είναι τα πρώτα βήματα για την ανάλυση λογισμικού - καλή διασκέδαση!

Σύνδεσμοι και αναφορές

• [1] Εκτελέσιμη και συνδεόμενη μορφή (ELF), Wikipedia
• [2] Fuchsia OS
• [3] Σύγκριση εκτελέσιμων μορφών αρχείων, Wikipedia
• [4] Linux Foundation, Προδιαγραφές αναφοράς
• [5] Ciro Santilli: ELF Hello World Tutorial
• [6] πακέτο elfutils Debian
• [7] elfdump
• [8] Michael Boelen: Τα 101 από τα αρχεία ELF στο Linux: Κατανόηση και ανάλυση
• [9] elfkickers
• [10] Σκληρυμένα/Βοηθητικά προγράμματα PaX
• [έντεκα] pax-utils, πακέτο Debian

Ευχαριστίες

Ο συγγραφέας θα ήθελε να ευχαριστήσει τον Axel Beckert για την υποστήριξή του σχετικά με την προετοιμασία αυτού του άρθρου.