Windows PE 3.2.3 NT 文件头 - 文件头

DOS块的后面接着就是NT头了。NT头（NT Header）是PE文件中的一个数据结构，用于描述可执行文件的详细信息和布局。它位于PE文件的DOS头之后，紧接着DOS Stub，如图3-6所示。NT头是用于现代Windows操作系统的可执行文件格式的关键部分。NT头包含了PE文件的各种信息，包括文件的签名、文件头和扩展头。

       ■IMAGE_NT_HEADERS结构

NT头的结构可以通过一个名为IMAGE_NT_HEADERS的结构体来表示。我们在winnt.h头文件中搜索到这个结构体的定义如下：

typedef struct _IMAGE_NT_HEADERS64 {

    DWORD Signature;   //PE文件的签名（PE特征码）

    IMAGE_FILE_HEADER FileHeader;  //文件头

    IMAGE_OPTIONAL_HEADER64 OptionalHeader;   //64位PE文件扩展头

} IMAGE_NT_HEADERS64, *PIMAGE_NT_HEADERS64;

typedef struct _IMAGE_NT_HEADERS {

    DWORD Signature;   //PE文件的签名（PE特征码）

    IMAGE_FILE_HEADER FileHeader;  //文件头

    IMAGE_OPTIONAL_HEADER32 OptionalHeader; //32位PE文件扩展头

} IMAGE_NT_HEADERS32, *PIMAGE_NT_HEADERS32;

我们发现有两个NT头结构的定义，一个是32位PE文件，另一个是64位PE文件。稍后我们将详细讲解它们的区别。

图3-6 PE文件结构

【注】块表为节表的同义词。

■PE特征码（签名）

文件的签名由Signature字段表示，它是一个4个字节的固定标识，用于表示该文件是一个PE文件。在32位的PE文件中，Signature的值为0x00004550（或者ASCII字符"PE\0\0"），在64位的PE文件中，Signature的值同样为0x00004550（或者ASCII字符"PE\0\0"）。

特征码是一个固定的标识值，用于告知操作系统或其他工具，该文件遵循PE文件格式的规范，并提供了正确的结构和布局信息。操作系统在加载和解析PE文件时，会首先检查特征码，以确认文件是否为有效的PE文件。

特征码的位置在PE文件的NT头中，可以通过IMAGE_NT_HEADERS结构体中的Signature字段来访问。

■文件头（COFF文件标头）

在PE文件的开头，或紧接在映像文件签名之后，是以下格式的标准 COFF 文件头（20个字节）。 请注意，Windows 加载器将节区数限制为 96。

文件头（FileHeader）字段描述了文件的基本属性和布局，包括文件的机器架构、节表的数量和大小等信息。它是一个IMAGE_FILE_HEADER结构体，包含了各种字段，如Machine、NumberOfSections、SizeOfOptionalHeader等。我们在winnt.h头文件中搜索到文件头结构体的定义如下：

typedef struct _IMAGE_FILE_HEADER {

    WORD  Machine;   // CPU架构类型

    WORD  NumberOfSections; // 节区数量

    DWORD TimeDateStamp; // 文件创建时间戳

    DWORD PointerToSymbolTable; // COFF符号表偏移地址

    DWORD NumberOfSymbols; // COFF符号表条目数量

    WORD  SizeOfOptionalHeader; // 可选头的大小

    WORD  Characteristics;// 文件属性标志

} IMAGE_FILE_HEADER, *PIMAGE_FILE_HEADER;

Offset	大小	字段	说明
0	2	设备	标识目标计算机类型的数字。 有关详细信息，请参阅MSDN目标计算机类型。
2	2	NumberOfSections	节区数目。 这指示节表的大小，该表紧跟在PE头之后。
4	4	TimeDateStamp	自 1970 年 1 月 1 日 00:00 起的秒数的低 32 位（C 运行时 time_t 值），指示文件的创建时间。
8	4	PointerToSymbolTable	COFF 符号表的文件偏移量；如果没有 COFF 符号表，则为零。 映像文件的此值应为零，因为 COFF 调试信息已被弃用。
12	4	NumberOfSymbols	符号表中的项数。 此数据可用于查找紧跟在符号表后面的字符串表。 映像文件的此值应为零，因为 COFF 调试信息已被弃用。
16	2	SizeOfOptionalHeader	可选标头（扩展头）的大小，它是可执行文件所必需的，但对象文件（obj）不需要它。 对于对象文件，此值应为零。 有关标头格式的说明，请参阅MSDN可选标头（仅限映像文件）。
18	2	特征	指示文件属性的标志。 有关特定标志值，请参阅MSDN特征。

以下是对每个字段的注释说明：

●Machine：指定了目标CPU架构的类型，例如x86、x64、ARM等。具体的架构类型可以通过相应的枚举值来表示，如IMAGE_FILE_MACHINE_I386、IMAGE_FILE_MACHINE_AMD64等。014cH代表x86 CPU，8664H表示x64 CPU。

我们可以在winnt.h头文件中搜索IMAGE_FILE_MACHINE_I386，查到所有CPU架构类型的枚举值：

常量	Value	说明
IMAGE_FILE_MACHINE_UNKNOWN	0x0	假定此字段的内容适用于任何计算机类型
IMAGE_FILE_MACHINE_ALPHA	0x184	Alpha AXP，32 位地址空间
IMAGE_FILE_MACHINE_ALPHA64	0x284	Alpha 64，64 位地址空间
IMAGE_FILE_MACHINE_AM33	0x1d3	Matsushita AM33
IMAGE_FILE_MACHINE_AMD64	0x8664	X64
IMAGE_FILE_MACHINE_ARM	0x1c0	ARM little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_ARM64	0xaa64	ARM64 little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_ARMNT	0x1c4	ARM Thumb-2 little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_AXP64	0x284	AXP 64 （与 Alpha 64 相同）
IMAGE_FILE_MACHINE_EBC	0xebc	EFI 字节代码
IMAGE_FILE_MACHINE_I386	0x14c	Intel 386 或更高版本的处理器和兼容的处理器
IMAGE_FILE_MACHINE_IA64	0x200	Intel Itanium 处理器系列
IMAGE_FILE_MACHINE_LOONGARCH32	0x6232	LoongArch 32 位处理器系列
IMAGE_FILE_MACHINE_LOONGARCH64	0x6264	LoongArch 64 位处理器系列
IMAGE_FILE_MACHINE_M32R	0x9041	Mitsubishi M32R little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_MIPS16	0x266	MIPS16
IMAGE_FILE_MACHINE_MIPSFPU	0x366	将 MIPS 与 FPU 结合使用
IMAGE_FILE_MACHINE_MIPSFPU16	0x466	将 MIPS16 与 FPU 结合使用
IMAGE_FILE_MACHINE_POWERPC	0x1f0	Power PC little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_POWERPCFP	0x1f1	支持浮点的 Power PC
IMAGE_FILE_MACHINE_R4000	0x166	MIPS little endian
IMAGE_FILE_MACHINE_RISCV32	0x5032	RISC-V 32 位地址空间
IMAGE_FILE_MACHINE_RISCV64	0x5064	RISC-V 64 位地址空间
IMAGE_FILE_MACHINE_RISCV128	0x5128	RISC-V 128 位地址空间
IMAGE_FILE_MACHINE_SH3	0x1a2	Hitachi SH3
IMAGE_FILE_MACHINE_SH3DSP	0x1a3	Hitachi SH3 DSP
IMAGE_FILE_MACHINE_SH4	0x1a6	Hitachi SH4
IMAGE_FILE_MACHINE_SH5	0x1a8	Hitachi SH5
IMAGE_FILE_MACHINE_THUMB	0x1c2	Thumb
IMAGE_FILE_MACHINE_WCEMIPSV2	0x169	MIPS little-endian WCE v2

●NumberOfSections：指定了文件中节区（Section Table）的数量。节表记录了不同段（如代码段、数据段等）的信息，每个段对应一个节表项。

【注意】PE文件中最少要有一个节区，即.text节区（代码段），最多可以有96个节区。

●TimeDateStamp：表示文件的创建时间戳，通常是一个以1970年1月1日以来的秒数表示的时间值。

●PointerToSymbolTable（已弃用）：指定了COFF符号表的偏移地址。COFF符号表包含了与文件相关的符号信息，如函数、变量等。

COFF（Common Object File Format）符号表是一种用于存储目标文件中符号信息的数据结构。它通常用于编译后的可执行文件、动态链接库（DLL）和目标文件中，以支持符号的调试和链接。

COFF符号表包含了与文件相关的符号信息，例如函数、变量、类型等。这些符号信息在编译和链接过程中收集和生成，以便在调试和链接阶段使用。

COFF符号表的结构可能因不同的操作系统和编译器而有所差异，但通常包含以下类型的符号信息：

1．符号名称（Symbol Name）：指定符号的名称，例如函数名、变量名等。

2．符号值（Symbol Value）：表示符号的地址或相对地址，用于定位符号在内存中的位置。

3．符号大小（Symbol Size）：表示符号的大小，用于确定符号所占用的内存空间。

4．符号类型（Symbol Type）：指定符号的类型，例如函数、变量、类型等。

5．符号绑定（Symbol Binding）：表示符号的绑定类型，如全局符号、局部符号等。

6．符号节表索引（Symbol Section Index）：指定符号所属的节表索引，用于确定符号所在的段或节。

COFF符号表对于调试器和链接器非常重要。调试器可以使用符号表来解析和显示变量、函数的名称和值，以及调用堆栈信息。链接器可以使用符号表来解析和解决符号引用，以正确连接不同的目标文件和库文件。

【注意】COFF符号表是一种中间表示形式，它不直接在可执行文件中执行。在最终的可执行文件中，符号表通常会被压缩、优化或移除，以减小文件大小和提高执行效率。

●NumberOfSymbols（已弃用）：表示COFF符号表中的符号条目数量。

●SizeOfOptionalHeader：指定了扩展头（Optional Header）的大小，即IMAGE_OPTIONAL_HEADER32或IMAGE_OPTIONAL_HEADER64结构体的大小。

实验十三：验证并修改32位和64位PE文件的扩展头大小

●验证扩展头大小

1．32位PE文件

将notepad32.exe拖入WinHex工具，文件偏移地址0xF4地址处的值为0E0H。

在文件偏移地址0xF8~0x1D8之间为该PE文件的扩展头，32位PE文件扩展头大小=0x1D8-0xF8=0E0H（224）字节。

2．64位PE文件

将notepad64.exe拖入WinHex工具，文件偏移地址0x10C地址处的值为0F0H。

在文件偏移地址0x110~0x200之间为该PE文件的扩展头，64位PE文件扩展头大小=0x200-0x110=0F0H（240）字节。

●修改扩展头大小

1．32位PE文件

将notepad32.exe拖入WinHex工具，观察在文件偏移地址0x320~0x400之间为空白区域，大小为0EH（224）字节，这是我们可以扩大扩展头大小的最大字节数。原因读者应该记得，为了不改变下面节区的偏移地址。

接下来我们选定这个区域，按“Delete”键删除该区域。然后在扩展头最后一个字节0x1D7处粘贴224个零字节。

最后一步，在文件偏移地址0xF4地址处将原来扩展头大小的值0E0H增加一倍，修改为01C0H。修改后保存文件，重命名为notepad32_1.exe，运行一切正常。

2．64位PE文件

将notepad64.exe拖入WinHex工具，观察在文件偏移地址0x2F0~0x400之间为空白区域，大小为110H（272）字节，这是我们可以扩大扩展头大小的最大字节数。

接下来我们选定这个区域，按“Delete”键删除该区域。然后在扩展头最后一个字节0x1FF处粘贴272个零字节。

最后一步，在文件偏移地址0x10C地址处将原来扩展头大小的值0F0H修改为0200H。修改后保存文件，重命名为notepad64_1.exe，我们会发现程序无法正常运行。

原因是运行程序时，系统使用LoadString函数加载命令行参数字符串，如果第一个参数为自身的句柄，则会在当前路径或系统路径下寻找资源PE文件（没有代码的资源文件），名称为***.exe.mui。我们在C盘根目录下搜索notepad.exe.mui文件名，找到其所在的文件夹位于“C:\Windows\zh-CN”中，将文件夹“zh-CN”复制到源代码目录“D:\code\winpe”，使记事本程序与资源文件夹位于同一目录，如图3-7所示。再将notepad64_1.exe改回notepad.exe，就可以正常运行了。                                                   

图3-7 添加记事本资源PE文件

练习

       1．请读者以64位记事本程序为例，只修改其文件头中SizeOfOptionalHeader字段的大小为0F1H，其他保持不变，保存修改后观察是否记事本可以正常运行。

       2．将64位记事本程序文件头中SizeOfOptionalHeader字段的大小为0F1H，并在扩展头结尾处添加一个字节，与此同时删除文件偏移地址00000400H之前一个零字节，保存修改后观察是否记事本可以正常运行。

       3．以同样的方法测试32位记事本，将其扩展头的大小改为0F0H，增大16个字节。保存修改后，观察程序是否可以正常运行。

  结论

       1．不论32位还是64位PE程序都可以修改扩展头的大小。但需要注意，不能因此而改变下面节区在PE文件内的偏移地址。

       2．增大扩展头的字节数必须是16的倍数。

●Characteristics：用于描述文件的属性标志，如是否为可执行文件、是否包含调试信息、是否可以作为系统驱动程序等。具体的属性标志可以通过位掩码来表示，如IMAGE_FILE_EXECUTABLE_IMAGE、IMAGE_FILE_DEBUG、IMAGE_FILE_SYSTEM等。

以下是我们在winnt.h头文件中查询到的文件属性标志：

标志	值	说明
IMAGE_FILE_RELOCS_STRIPPED	0x0001	纯映像、Windows CE 和 Microsoft Windows NT 及更高版本。 这表示该文件不包含基址重定位，因此必须加载到其首选基址。 如果基址不可用，则加载程序将报告错误。 链接器的默认行为是从可执行文件 (EXE) 文件中去除基址重定位。
IMAGE_FILE_EXECUTABLE_IMAGE	0x0002	纯映像。 这表示映像文件有效并且可以运行。 如果未设置此标志，则表示有链接器错误。
IMAGE_FILE_LINE_NUMS_STRIPPED	0x0004	COFF 行号已删除。 此标志已被弃用，应为零。
IMAGE_FILE_LOCAL_SYMS_STRIPPED	0x0008	本地符号的 COFF 符号表条目已删除。 此标志已被弃用，应为零。
IMAGE_FILE_AGGRESSIVE_WS_TRIM	0x0010	已过时。 主动剪裁工作集。 已针对 Windows 2000 及更高版本弃用此标志，此标志必须为零。
IMAGE_FILE_LARGE_ADDRESS_ AWARE	0x0020	应用程序可以处理 > 2 GB 地址。
	0x0040	此标志将保留以供将来使用。
IMAGE_FILE_BYTES_REVERSED_LO	0x0080	Little endian：最低有效位 (LSB) 位于内存中最高有效位 (MSB) 之前。 此标志已被弃用，应为零。
IMAGE_FILE_32BIT_MACHINE	0x0100	计算机基于 32 位字长度机器码体系结构。
IMAGE_FILE_DEBUG_STRIPPED	0x0200	从映像文件中删除了调试信息。
IMAGE_FILE_REMOVABLE_RUN_ FROM_SWAP	0x0400	如果映像位于可移动媒体上，请完全加载该映像并将其复制到交换文件。
IMAGE_FILE_NET_RUN_FROM_SWAP	0x0800	如果映像位于网络媒体上，请完全加载该映像并将其复制到交换文件。
IMAGE_FILE_SYSTEM	0x1000	映像文件是系统文件，而不是用户程序。
IMAGE_FILE_DLL	0x2000	图像文件是动态链接库 (DLL)。 虽然无法直接运行此类文件，但这些文件被视为几乎适用于所有用途的可执行文件。
IMAGE_FILE_UP_SYSTEM_ONLY	0x4000	该文件应仅在单处理器计算机上运行。
IMAGE_FILE_BYTES_REVERSED_HI	0x8000	Big endian：MSB 在内存中的 LSB 之前。 此标志已被弃用，应为零。

这些属性和标志位提供了关于PE文件的基本信息，帮助操作系统和工具正确解析和处理可执行文件。

我们在WinHex中观察32位记事本文件头结构的最后一个字段Characteristics的值为010FH，即IMAGE_FILE_32BIT_MACHINE+ IMAGE_FILE_LOCAL_SYMS_STRIPPED+ IMAGE_FILE_LINE_NUMS_STRIPPED+ IMAGE_FILE_EXECUTABLE_IMAGE+ IMAGE_FILE_RELOCS_STRIPPED

意为32位（局部符号信息、行号信息、重定位信息已被剥离）可执行文件。

       64位记事本程序文件头的最后一个字段Characteristics的值为0022H，即IMAGE_FILE_LARGE_ADDRESS_AWARE+ IMAGE_FILE_EXECUTABLE_IMAGE，意为应用程序能够处理大于2GB的地址空间的64位可执行程序。