PE文件结构详解

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我们大家都知道，在Windows 9x、NT、2000下，所有的可执行文件都是基于Microsoft设计的一种新的文件格式Portable Executable File Format（可移植的执行体），即PE格式。有一些时候，我们需要对这些可执行文件进行修改，下面文字试图详细的描述PE文件的格式及对PE格式文件的 修改。

PE文件框架构成
DOS MZ header
DOS Stub
PE header
Section table
Section 1
Section 2
Section...
Section n

    上表是PE文件结构的总体层次分布。所有 PE文件(甚至32位的 DLLs) 必须以一个简单的 DOS MZ header开始，在偏移0处有DOS下可执行文件的“MZ标志”，有了它，一旦程序在DOS下执行，DOS就能识别出这是有效的执行体，然后运行紧随 MZ header之后的DOS Stub。紧接着DOS Stub的是PE header。PE header是PE相关结构IMAGE_NT_HEADERS的简称，其中包含了许多PE装载器用到的重要域。可执行文件在支持PE文件结构的操作系统 中执行时，PE装载器将从DOS MZ header的偏移3CH处找到PE header的起始偏移量。因而跳过了DOS Stub直接定位到真正的文件头PE header。

    小知识：DOS Stub实际上是个有效的EXE，在不支持PE文件格式的操作系统中，它将简单显示一个错误提示，类似于字符串“This program cannot run in DOS mode”或者程序员可根据自己的意图实现完整的DOS代码。通常DOS Stub由汇编器/编译器自动生成，对我们的用处不是很大，它简单调用中断21h服务9来显示字符串“This program cannot run in DOS mode”。

    PE文件的真正内容划分成块，称之为Sections（节）。每节是一块拥有共同属性的数据，比如“.text”节等，那么，每一节的内容都是什么呢？实 际上PE格式的文件把具有相同属性的内容放入同一个节中，而不必关心类似“.text”、“.data”的命名，其命名只是为了便于识别，所有，我们如果 对PE格式的文件进行修改，理论上讲可以写入任何一个节内，并调整此节的属性就可以了。

    PE header 接下来的数组结构Section table（节表）。每个结构包含对应节的属性、文件偏移量、虚拟偏移量等。如果PE文件里有5个节，那么此结构数组内就有5个成员。

    以上就是PE文件格式的物理分布，下面将总结一下装载一PE文件的主要步骤：

1.PE文件被执行，PE装载器检查DOS MZ header里的PE header偏移量。如果找到，则跳转到PE header。
2.PE装载器检查PE header的有效性。如果有效，就跳转到PE header的尾部。
3.紧跟 PE header的是节表。PE装载器读取其中的节信息，并采用文件映射方法将这些节映射到内存 ，同时附上节表里指定的节属性。
4．PE文件映射入内存后，PE装载器将处理PE文件中类似Import table（引入表）逻辑部分。

    PE文件头定义

我们可以在Winnt.h这个文件中找到关于PE文件头的定义：
typedef struct _IMAGE_NT_HEADERS {
DWORD Signature;
//PE文件头标志 ：“PE/0/0”。在开始DOS header的偏移3CH处所指向的地址开始
IMAGE_FILE_HEADER FileHeader;        //PE文件物理分布的信息
IMAGE_OPTIONAL_HEADER32 OptionalHeader;    //PE文件逻辑分布的信息
} IMAGE_NT_HEADERS32, *PIMAGE_NT_HEADERS32;
typedef struct _IMAGE_FILE_HEADER {
WORD    Machine;            //该文件运行所需要的CPU，对于Intel平台是14Ch
WORD    NumberOfSections;        //文件的节数目
DWORD   TimeDateStamp;        //文件创建日期和时间
DWORD   PointerToSymbolTable;    //用于调试
DWORD   NumberOfSymbols;        //符号表中符号个数
WORD    SizeOfOptionalHeader;    //OptionalHeader 结构大小
WORD    Characteristics;        //文件信息标记，区分文件是exe还是dll
} IMAGE_FILE_HEADER, *PIMAGE_FILE_HEADER;
typedef struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {
WORD    Magic;            //标志字(总是010bh)
BYTE    MajorLinkerVersion;        //连接器版本号
BYTE    MinorLinkerVersion;        //
DWORD   SizeOfCode;            //代码段大小
DWORD   SizeOfInitializedData;    //已初始化数据块大小
DWORD   SizeOfUninitializedData;    //未初始化数据块大小
DWORD   AddressOfEntryPoint;    

PE装载器准备运行的PE文件的第一个指令的RVA，若要改变整个执行的流程，可以将该值指定到新的RVA，这样新RVA处的指令首先被执行（以往许多文章都有介绍RVA，请大家先了解）。

DWORD   BaseOfCode;            //代码段起始RVA
DWORD   BaseOfData;            //数据段起始RVA
DWORD   ImageBase;            //PE文件的装载地址
DWORD   SectionAlignment;        //块对齐
DWORD   FileAlignment;        //文件块对齐
WORD    MajorOperatingSystemVersion;//所需操作系统版本号
WORD    MinorOperatingSystemVersion;//
WORD    MajorImageVersion;        //用户自定义版本号
WORD    MinorImageVersion;        //
WORD    MajorSubsystemVersion;    //win32子系统版本。若PE文件是专门为Win32设计的
WORD    MinorSubsystemVersion;    //该子系统版本必定是4.0否则对话框不会有3维立体感
DWORD   Win32VersionValue;        //保留
DWORD   SizeOfImage;            //内存中整个PE映像体的尺寸
DWORD   SizeOfHeaders;        //所有头+节表的大小
DWORD   CheckSum;            //校验和
WORD    Subsystem;            //NT用来识别PE文件属于哪个子系统
WORD    DllCharacteristics;        //
DWORD   SizeOfStackReserve;        //
DWORD   SizeOfStackCommit;        //
DWORD   SizeOfHeapReserve;        //
DWORD   SizeOfHeapCommit;        //
DWORD   LoaderFlags;            //
DWORD   NumberOfRvaAndSizes;    //
IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
//IMAGE_DATA_DIRECTORY 结构数组。每个结构给出一个重要数据结构的RVA，比如引入地址表等
} IMAGE_OPTIONAL_HEADER32, *PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32;

typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {
DWORD   VirtualAddress;        //表的RVA地址
DWORD   Size;                //大小
} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;

PE文件头后是节表，在winnt.h下如下定义
typedef struct _IMAGE_SECTION_HEADER {
BYTE    Name[IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME];//节表名称,如“.text”
union {
    DWORD   PhysicalAddress;    //物理地址           
    DWORD   VirtualSize;        //真实长度
} Misc;
DWORD   VirtualAddress;        //RVA
DWORD   SizeOfRawData;        //物理长度
DWORD   PointerToRawData;        //节基于文件的偏移量
DWORD   PointerToRelocations;    //重定位的偏移
DWORD   PointerToLinenumbers;    //行号表的偏移
WORD    NumberOfRelocations;    //重定位项数目
WORD    NumberOfLinenumbers;    //行号表的数目
DWORD   Characteristics;        //节属性
} IMAGE_SECTION_HEADER, *PIMAGE_SECTION_HEADER;

以上结构就是在Winnt.h中关于PE文件头的定义，如何我们用C/C++来进行PE可执行文件操作，就要用到上面的所有结构，它详细的描述了PE文件头的结构。

修改PE可执行文件
    现在让我们把一段代码写入任何一个PE格式的可执行文件，代码如下：
-- test.asm --
.386p
.model flat, stdcall
option casemap:none

include /masm32/include/windows.inc
include /masm32/include/user32.inc
includelib /masm32/lib/user32.lib

.code

start:
    INVOKE MessageBoxA,0,0,0,MB_ICONINFORMATION or MB_OK
    ret
end start
以上代码只显示一个MessageBox框，编译后得到二进制代码如下：
unsigned char writeline[18]=;

好，现在让我们看看该把这些代码写到那。现在用Tdump.exe显示一个PE格式得可执行文件信息，可以发现如下描述：
Object table:
#   Name      VirtSize    RVA     PhysSize Phys off Flags  
-- -------- -------- -------- -------- -------- --------
01 .text     0000CCC0 00001000 0000CE00 00000600 60000020 [CER]
02 .data     00004628 0000E000 00002C00 0000D400 C0000040 [IRW]
03 .rsrc     000003C8 00013000 00000400 00010000 40000040 [IR]

Key to section flags:
C - contains code
E - executable
I - contains initialized data
R - readable
W - writeable

    上面描述此文件中存在3个段及每个段的信息，实际上我们的代码可以写入任何一个段，这里我选择“.text”段。用光盘中提供的代码可以得到一个PE格式可执行文件的头信息。

    由于在PE格式的文件中，所有的地址都使用RVA地址，所以一些函数调用和返回地址都要经过计算才可以得到。