parcial da aula 3
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#+title: 3 -- O formato binário ELF
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#+author: Blau Araujo
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#+email: cursos@blauaraujo.com
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#+options: toc:3
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* Objetivos
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- Compreender a estrutura do formato ELF.
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- Compreender a definição das seções do programa com a linguagem Assembly.
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- Explorar as seções do binário com ferramentas =readelf=, =objdump= e =hexdump=.
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- Relacionar o binário ELF com seu conteúdo em Assembly.
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* O que é o formato ELF
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O formato binário ELF, de /Executable and Linking Format/ (/Formato Executável
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e de Ligação/) foi originalmente desenvolvido e publicado como parte da /Interface
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Binária de Aplicações/ (ABI) do Unix System V Release 4 (SVR4). Desde então,
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tornou-se o padrão adotado pela maioria dos sistemas /Unix-like/ para representar
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arquivos objeto binários, como executáveis e bibliotecas.
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** Principais tipos de arquivos objeto
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Os arquivos objeto, criados por montadores e editores de ligações
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(/link-editores/), são representações binárias de programas destinados
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a serem executados diretamente por um processador. As especificações
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do ELF para o Linux definem três tipos principais de arquivos objeto:
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- Arquivo relocável ::
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Contém código e dados preparados para serem ligados a outros objetos
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para criar um executável ou um objeto compartilhado.
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- Arquivo executável ::
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O arquivo de um programa que pode ser executado.
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- Arquivo objeto compartilhado ::
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Contém código e dados que podem ser ligados de duas formas: com outros
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arquivos relocáveis para criar um outro objeto, ou com um executável e
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outros objetos compartilhados para formar a imagem de um processo.
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* Formato do arquivo
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Os arquivos objeto participam tanto da link-edição quanto da execução de
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programas. Portanto, seu formato deve acomodar as estruturas necessárias
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para ambas as atividades. Na link-edição, o foco está nas seções e na
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tabela de cabeçalhos de seções, enquanto que, na execução, o carregador
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(/loader/) utiliza os cabeçalhos do programa para mapear segmentos na
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memória.
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#+begin_example
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LINK-EDIÇÃO (ARQUIVO) EXECUÇÃO (MEMÓRIA)
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┌────────────────────────┐ ┌────────────────────────┐
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│ CABEÇALHO ELF │ │ CABEÇALHO ELF │
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├────────────────────────┤ ├────────────────────────┤
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│ TABELA DE CABEÇALHOS │ │ TABELA DE CABEÇALHOS │
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│ DO PROGRAMA (OPCIONAL) │ │ DO PROGRAMA │
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├────────────────────────┤ ├────────────────────────┤
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│ SEÇÃO 1 │ │ │
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├────────────────────────┤ │ SEGMENTO 1 │
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│ SEÇÃO 2 │ │ │
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├────────────────────────┤ ├────────────────────────┤
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│ ... │ │ │
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├────────────────────────┤ │ SEGMENTO 2 │
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│ SEÇÃO N │ │ │
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├────────────────────────┤ ├────────────────────────┤
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│ ... │ │ ... │
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├────────────────────────┤ ├────────────────────────┤
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│ TABELA DE CABEÇALHOS │ │ TABELA DE CABEÇALHOS │
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│ DE SEÇÕES │ │ DE SEÇÕES (OPCIONAL) │
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└────────────────────────┘ └────────────────────────┘
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#+end_example
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*Importante!*
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- O posicionamento real das tabelas de seções e do programa pode ser
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diferente de como está representado nos diagramas.
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- Do mesmo modo, as seções e os seguimentos não têm uma ordem específica.
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- Só o cabeçalho ELF tem uma posição fixa no arquivo.
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- Um segmento na memória pode conter várias seções do arquivo.
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No diagrama...
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- Cabeçalho ELF ::
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Escrito nos primeiros 52 ou 64 bytes do arquivo, o cabeçalho ELF contém
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um resumo da sua organização e diversas informações, como o formato do
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arquivo (32 ou 64 bits), a ordem de escrita dos bytes de dados (/little/
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ou /big endian/), o tipo do arquivo objeto (se é relocável, executável
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ou compartilhado), a arquitetura do conjunto de instruções, entre outras
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definições. Os primeiros 4 bytes do cabeçalho ELF contêm a assinatura do
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formato, o seu /número mágico/: o byte =0x7F= seguido dos bytes dos caracteres
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=E=, =L= e =F= na tabela ASCII (=45 4C 46=).
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- Seções ::
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Contêm a organização dos dados do programa para efeito da edição das
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ligações no arquivo, como as instruções do código, dados globais
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contantes e variáveis, símbolos, informações de relocação, etc.
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- Tabela de cabeçalhos do programa ::
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Se existir, diz ao programa como montar uma imagem do programa quando
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ele for carregado na memória para execução. Logo, se o arquivo objeto
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for executável, ele terá que conter uma tabela de cabeçalhos do programa,
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o que é desnecessário em arquivos objeto relocáveis.
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- Tabela de cabeçalhos de seções ::
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Contém a descrição das seções do arquivo. Cada seção tem uma entrada
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na tabela com informações como seu nome, seu tamanho, a partir de onde
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pode ser encontrada no arquivo (/offset/), etc. Arquivos utilizados
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durante a edição de ligações precisam ter a tabela de cabeçalhos de
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seções, mas ela é desnecessária no caso de arquivos objeto que só
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serão ligados dinamicamente em tempo de execução.
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* Seções especiais
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Várias seções de um arquivo ELF são predefinidas para conter informações
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de controle utilizadas pelo sistema operacional. Na pŕática, programas
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executáveis são formados vários arquivos objeto e bibliotecas vinculados
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através do processo de ligação, que pode ser:
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- *Estática:* Vários arquivo objeto são combinados em um só arquivo executável.
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- *Dinâmica:* O objeto executável é ligado na memoria, em tempo de execução,
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com objetos compartilhados e bibliotecas disponíveis no sistema.
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No fim das contas, o resultado será sempre um programa completo na memória,
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a diferença está em quando o objeto executável é construído e em quem
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resolve e processa as ligações.
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No GNU/Linux:
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- *Ligações estáticas:* Processadas pelo editor de ligações (=ld=, da suíte
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GNU Binutils).
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- *Ligações dinâmicas:* Processadas pelo carregador e ligador dinâmico do
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sistema (=ld-linux=, da =glibc=).
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Seja a ligação realizada estaticamente, durante a construção do executável,
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ou dinamicamente, no momento da execução, o correto processamento das
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ligações depende da organização interna do arquivo ELF. Essa organização é
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descrita por suas seções especiais, entre as quais podemos destacar:
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| Seção | Descrição |
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|---------------+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
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| =.bss= | Contém dados globais não inicializados ou inicializados com zero; ocupa espaço na memória, mas não ocupa espaço no arquivo executável. |
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| =.data= | Contém dados globais inicializados; ocupa espaço tanto no arquivo quanto na memória. |
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| =.rodata= | Contém dados que não podem ser alterados (/read only/), geralmente usada para constantes e strings literais. |
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| =.text= | Seção que contém o código executável do programa (instruções da CPU). |
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| =.symtab= | Tabela de símbolos completa, usada pelo ligador e depuradores para localizar símbolos. |
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| =.strtab= | Tabela de strings que armazena os nomes dos símbolos referenciados em =.symtab=. |
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* Tipos de segmentos
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Na execução de um programa ELF, o sistema operacional utiliza a Tabela de
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Cabeçalhos do Programa para saber quais partes do arquivo devem ser carregadas
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na memória e como tratá-las. Cada entrada nessa tabela descreve um segmento
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que representa uma região de interesse para o carregador, como código do
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programa, seus dados, informações de ligação dinâmica e o caminho do carregador
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e ligador dinâmico. Esses segmentos são identificados por tipos padronizados,
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cada um com uma finalidade específica no processo de carregamento e execução
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do programa.
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Aqui estão alguns tipos de segmentos:
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| Tipo | Descrição |
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|--------------+---------------------------------------------------------------------------|
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| =LOAD= | Segmento que deve ser carregado na memória, contendo código ou dados. |
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| =INTERP= | Indica o caminho do carregador dinâmico (=ld-linux=) para execução. |
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| =DYNAMIC= | Contém informações para ligação dinâmica, como símbolos e dependências. |
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| =GNU_STACK= | Define permissões da pilha (stack), como se pode ou não ser executável. |
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| =NOTE= | Armazena metadados usados pelo sistema operacional. |
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| =PHDR= | Contém a própria Tabela de Cabeçalhos do Programa, usada por depuradores. |
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| =GNU_EH_FRAME= | Informações para suporte à pilha de exceções (C, C++, etc.). |
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| =GNU_RELRO= | Segmento de dados que será tornado somente leitura após inicialização. |
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** Exemplo de programa mínimo em Assembly
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#+begin_src nasm :tangle elf_min.asm
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section .text
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global _start
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_start:
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mov rax, 60
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xor rdi, rdi
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syscall
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#+end_src
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** Compilação
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#+begin_src sh
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nasm -f elf64 -o elf_min.o elf_min.asm
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ld -o elf_min elf_min.o
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#+end_src
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** Inspeção do ELF
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#+begin_src sh
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file elf_min
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readelf -h elf_min
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readelf -S elf_min # Seções
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readelf -l elf_min # Segmentos (program headers)
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objdump -d elf_min
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hexdump -C elf_min | less
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#+end_src
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** Versão em C para comparação
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#+begin_src C :tangle elf_min.c
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int main() {
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return 0;
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}
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#+end_src
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** Exercícios
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1. Compare os headers do binário gerado em C com o de Assembly.
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2. Use `readelf -x .text` para inspecionar o código de máquina.
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3. Modifique o binário com `hexedit` para alterar manualmente um byte do código.
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4. Gere um programa com `.data` e `.bss` e localize essas seções no ELF.
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** Referências
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- man 5 elf
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- https://refspecs.linuxfoundation.org/elf/elf.pdf
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- https://wiki.osdev.org/ELF
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