Relocate、PLT、GOT And Lazy Binding

chenqiang

原文链接：Relocate、PLT、GOT And Lazy Binding

本篇文章将会尝试解释重定位，PLT，GOT以及延迟绑定，并且通过一个简单的例子动态调试追踪延迟绑定的过程。

1 Relocate

Relocation is the process of connecting symbolic references with symbolic definitions. Relocatable files must have information that describes how to modify their section contents, thus allowing executable and shared object files to hold the right information for a process's program image. Relocation entries are these data.

即：

重定位 是将符号定义和符号引用进行连接的过程。重定位文件 需要提供一些描述如何修改section内容的相关信息，从而保证可执行文件和共享目标文件能够在程序镜像中存储正确的信息。
以32位系统为例（为了便于理解，本文后续内容均会以32位系统场景描述），其关键的数据结构如下：

1. // 隐式加法重定位，重定位处的汇编一般会是 e8 fc ff ff ff
   
2. typedef struct {
   
3.     Elf32_Addr r_offset;
   
4.     uint32_t   r_info;
   
5. } Elf32_Rel;
   
6. 
   
7. // 显式加法重定位，重定位时需要计算的加数存储在 r_addend
   
8. typedef struct {
   
9.     Elf32_Addr r_offset;
   
10.      uint32_t   r_info;
    
11.      int32_t    r_addend;
    
12. } Elf32_Rela;

复制代码

r_offset指向了需要重定位的位置。

r_information存储了需要重定位符号表的索引和重定位类型。

r_addend 用于计算存储在可定位字段中的值。

在程序加载时，会通过自己的.rel section，告诉连接器需要重定位的位置，在后续会详细的展示一个32位程序重定位的过程。
2 PLT &GOT
像上面那种在程序加载时，通过.relsection，让编译器基于重定位信息计算出调用函数在程序中的实际位置的加载方式，一般被称为静态链接，如果程序使用了外部的库函数时，整个库函数都会被直接编译到程序中。
可以思考一下它的缺点，以及对应的改正方法：

在一段只输出hello world的程序中，采用静态链接，需要将整个glibc链接到程序中，如果500个程序都需要使用glibc中的函数，那么glibc就会被封装进500个程序中。

可不可以将多个程序都会使用的库单独剥离出来，同时在源程序和库之间建立某种联系，确保源程序在执行的时候可以调用到库函数？

动态链接技术的提出就是为了解决这个问题，在程序运行时，将共享库和程序本身进行链接，同时，内存里的程序可以共享同一个库文件，这样既节省了硬盘存储空间，同样节省了内存空间。
静态链接与动态链接主要区别如下图所示。（本图参照《CTF竞赛权威指南》所画）



为了做到动态编译，首先需要生成位置无关代码（Posistion-Independent Code,PIC）,通过PIC一个共享库可以被多个进程共享。
同时想要完成动态链接在源程序中还需要有：① 一个用来存储外部函数地址的数据段。② 一段用来加载外部函数的代码。

因为数据段和代码段之间的距离是一个运行时常量，他们之间的偏移是固定的，于是这里就有了全局偏移表（GOT，Global Offset Table），它位于数据段的开始，用于保存全局变量以及库函数（外部函数）的引用，每一条8个字节，在程序加载时会完成重定位，并填入符号的绝对地址。GOT一般被拆成了两个section，不需要延迟绑定，用于存储全局变量，加载到内存中只需要被读取的.got，以及为了存储库函数需要延迟绑定写入的.got.plt。
而同时为了完成延迟绑定还需要将外部函数的值在运行时写入.got.plt，因此又引入了过程链接表（PLT,Procedure Liknage Table）。PLT是由代码片段组成，用于将地址无关函数转移到绝对地址。每一个被调用的库函数，都会映射到一组PLT 和 GOT。如下图所示：





3 Lazying Binding
Lazy Binding，即延迟绑定，指的是只有当函数被调用的时候才进行函数绑定，这种方式加快的程序的启动速度。
为了完成延迟绑定的过程，PLT和GOT需要配合完成一些事情。
假设程序中存在一个puts函数被调用，在PLT 中的表项为puts@plt，在GOT中表项为`puts@got.plt。为了完成延迟绑定，在第一次执行的时候会完成以下事情：

① 源程序中call puts@plt.

② PLT 中对应表项存储的内容是jmp puts@GOT，因此会跳进到`puts@got.plt。

③ 在绑定之前，puts@got.plt位置存储还是puts@plt表项的第二指令的地址，因此会跳到PLT 执行第二条指令push n,这里的n指的是puts函数在GOT中的位置，这里的入栈操作是为了找到puts函数的符号名，以及puts函数在GOT表项中所占的位置，便于后续将函数的实际地址写入GOT表。

④ 执行PLT表项第三条指令jmp PLT[0],PLT[0]首先将GOT[1]入栈，然后jmp GOT [2].

⑤ GOT[2]保存的是_dl_runtime_resolve()函数的入口地址，因此这里实际上就是调用_dl_runtime_resolve()函数，完成符号解析和重定位工作，并将puts()函数的真实地址写入puts@got.plt。然后将控制权交给puts()函数。

在后续调用，就会直接到GOT表项取得puts函数的地址。

整理一下，PLT和GOT中存在着通用的指令和后续的指令如下所示：

1. 
   
2. PLT[0]: push GOT[1]
   
3.         jmp GOT[2]
   
4. PLT[1]: __libc_start_main()
   
5. PLT[2]: jmp GOT[4]
   
6.         push 0
   
7.         jmp PLT[0]
   
8. ...
   
9. 
   
10. GOT[0]: .dynmic 地址
    
11. GOT[1]: relor
    
12. GOT[2]: _dl_runtime_resolve()
    
13. GOT[3]: sys startup  # 针对不同环境此处内容可能不同
    
14. GOT[4]: PLT[2]第二条指令地址

复制代码

整个过程草图如下所示：

4 Quiz
环境：

1. 
   
2. gcc (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0
   
3. 
   
4. Linux null 5.15.0-67-generic #74-Ubuntu SMP Wed Feb 22 14:14:39 UTC 2023 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
   

复制代码

源代码：

1. #include <stdio.h>
   
2. 
   
3. int print_hello() {
   
4.         printf("hello PLT and GOT\n");
   
5. }
   
6. 
   
7. int main() {
   
8.         print_hello();
   
9.         return 0;
   
10. }

复制代码

编译：

1. gcc main.c -o test -save-temps -m32 -g -Wl,-z,lazy
   

复制代码

-save-temps 会保存所有的中间输出结果。

-m32 表示输出的是32程序。

-Wl,-z,lazy强制开启延迟绑定。

-g 方便调试。

通过objdump查看目标文件汇编代码：

1. objdump -M intel -d main.o
   

复制代码

print_hello函数如下：

1. 
   
2. 00000000 <print_hello>:
   
3.    0:   53                      push   ebx
   
4.    1:   83 ec 14                sub    esp,0x14
   
5.    4:   e8 fc ff ff ff          call   5 <print_hello+0x5>
   
6.    9:   81 c3 02 00 00 00       add    ebx,0x2
   
7.    f:   8d 83 00 00 00 00       lea    eax,[ebx+0x0]
   
8.   15:   50                      push   eax
   
9.   16:   e8 fc ff ff ff          call   17 <print_hello+0x17>
   
10.   1b:   83 c4 18                add    esp,0x18
    
11.   1e:   5b                      pop    ebx
    
12.   1f:   c3                      ret

复制代码

main 函数如下：

1. 00000024 <main>:
   
2.   20:   55                      push   ebp
   
3.   21:   89 e5                   mov    ebp,esp
   
4.   23:   83 e4 f0                and    esp,0xfffffff0
   
5.   26:   e8 fc ff ff ff          call   27 <main+0x7>
   
6.   2b:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
   
7.   30:   c9                      leave
   
8.   31:   c3                      ret

复制代码

通过objdump查看最终汇编代码：

1. objdump -M intel -d test
   

复制代码

print_hello函数如下：

1. 0000119d <print_hello>:
   
2.     119d:       53                      push   ebx
   
3.     119e:       83 ec 14                sub    esp,0x14
   
4.     11a1:       e8 fa fe ff ff          call   10a0 <__x86.get_pc_thunk.bx>
   
5.     11a6:       81 c3 32 2e 00 00       add    ebx,0x2e32
   
6.     11ac:       8d 83 30 e0 ff ff       lea    eax,[ebx-0x1fd0]
   
7.     11b2:       50                      push   eax
   
8.     11b3:       e8 98 fe ff ff          call   1050 <puts@plt>
   
9.     11b8:       83 c4 18                add    esp,0x18
   
10.     11bb:       5b                      pop    ebx
    
11.     11bc:       c3                      ret

复制代码

main函数如下：

1. 
   
2. 000011bd <main>:
   
3.     11bd:       55                      push   ebp
   
4.     11be:       89 e5                   mov    ebp,esp
   
5.     11c0:       83 e4 f0                and    esp,0xfffffff0
   
6.     11c3:       e8 d5 ff ff ff          call   119d <print_hello>
   
7.     11c8:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
   
8.     11cd:       c9                      leave
   
9.     11ce:       c3                      ret

复制代码

4.1 Relocate
对比目标代码和最终代码的反汇编代码，可以看到，在print_hello函数中，调用call函数时对应内容是有经过重定向的，如下图所示。

在目标代码中：

1. 
   
2. 4:   e8 fc ff ff ff          call   5 <print_hello+0x5>
   
3. 
   
4. 16:   e8 fc ff ff ff          call   17 <print_hello+0x17>

复制代码

查看对应重定位表，可以看到：offset 为$5$ 的符号是 __x86.get_pc_thunk.bx, offset为 $17$的符号是puts。
而在最终代码中：

1. 
   
2. 11a1:       e8 fa fe ff ff          call   10a0 <__x86.get_pc_thunk.bx>
   
3. 
   
4. 11b3:       e8 98 fe ff ff          call   1050 <puts@plt>

复制代码

查看编译之后程序的符号：

1. 
   
2. readelf -s test
   
3. 
   
4. 20: 000010a0     4 FUNC    GLOBAL HIDDEN    14 __x86.get_pc_thunk.bx
   
5. 
   
6. 27: 00000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND puts@GLIBC_2.0

复制代码

对于 __x86.get_pc_thunk.bx, 采用的是S + A - P的方式计算偏移:

S 是符号的值

A 是重定位条目中的加数，在显示加数中，会使用ElfN_REL中的值，而隐式的则是在call指令后面。

P 是要进行重定位的存储单位的地址。

即：__x86.get_pc_thunk.bx: $0x10a0 + 0xffff fffc -0x11a2 = 0xffff fefa$

即重定位之后的调用：



main函数中的print_hello函数调用同理，不再赘述。
那么还剩下一个问题，puts函数此时在符号表中的值是0，又应该怎么计算呢？
4.2 Lazy Binding
前面有讲到，Linux下符号动态链接默认采用的是延迟绑定的方式，也就是说，在程序运行时用到改符号的时候才会去解析它的地址（值）。
开始动态调试，启动后在puts@plt下断点:

可以看到PLT表的内容和上述所说的基本吻合，首先是一个jump指令，此时根据上面信息可以得知ebx寄存器存储的是GOT表地址，所以这条jump指令就跳转到GOT表中。第二条push 序号入栈，第三条jump 指令调转到的位置就是PLT[0]。

查看jump地址的信息：

跳入的是.got.plt且表现值存储的值是0x56556056即刚才的push指令。
继续查看0x56556030处的内容，ebx存储的仍然是GOT表的地址，因此此处指令仍然是上面所描述的push GOT[1] jmp GOT[2]。

继续调试，发现他进入的即是_dl_runtime_resolve()函数。

到这里有关PLT，GOT延迟绑定的整个过程已经基本梳理完毕，在后续有关更多PLT，GOT攻击利用的时候，再来详细讨论_dl_runtime_resolve()函数。

5 彩蛋: What ChatGPT Will Say About _dl_runtime_resolve()
好的，下面我们结合源码分析一下_dl_runtime_resolve()函数的实现。
在GNU C库的源码中，_dl_runtime_resolve()函数的定义位于elf/dl-runtime.c文件中。该函数的主要作用是在程序运行期间解析动态链接函数。
函数的定义如下：

1. ```c
   
2. ElfW(Addr) _dl_runtime_resolve (ElfW(Addr) *ref)
   
3. {
   
4.   /* ... */
   
5. }
   
6. ```

复制代码

其中，ElfW(Addr)是一个宏定义，根据编译时指定的目标架构不同而不同。例如，在32位x86架构上，它被定义为unsigned int。
函数中的ref参数是一个指向函数指针的指针，它指向需要被解析的动态链接函数的地址。
函数的实现过程如下：
① 首先，从ref参数指向的地址中读取一个指针，这个指针指向了一个struct link_map类型的结构体，该结构体记录了当前共享对象（共享库）的信息，包括共享对象的地址范围、依赖的其他共享对象等。
②

1. 
   
2. struct link_map *l;
   
3. ElfW(Addr) result;
   
4. 
   
5. l = ((struct link_map *) D_PTR (ref[1], l_info[DT_PLTGOT]))->l_prev;

复制代码

这里的D_PTR()宏是GNU C库中的一个宏定义，用于读取动态链接器内部数据结构中的字段。DT_PLTGOT表示动态链接器中GOT表的地址。
③ 然后，从ref参数指向的地址中读取一个偏移量，该偏移量是一个相对于共享对象基地址的偏移量，表示需要解析的动态链接函数在共享对象中的位置。

1. 
   
2. ElfW(Addr) reloc_arg = D_PTR (ref[1], l_info[DT_RELA]->d_un.d_ptr)
   
3.                        + sizeof (ElfW(Rela));

复制代码

这里的DT_RELA表示动态链接器中重定位表的地址，通过它可以找到需要解析的动态链接函数的重定位项。

④ 接着，通过解析重定位项，获取目标函数的地址。

1. result = _dl_fixup (l, ref[0], reloc_arg, 0);
   

复制代码

其中，_dl_fixup()函数是用于解析重定位项的函数，它会根据重定位项中的信息，计算出目标函数的地址，并返回给调用者。
⑤ 最后，将目标函数的地址返回给调用者，完成动态链接函数的解析过程。

1. 
   
2. return result;

复制代码

综上所述，_dl_runtime_resolve()函数的实现过程中，主要涉及了动态链接器的内部数据结构和重定位表的解析。它是实现动态链接的核心函数之一，可以在程序运行期间解析动态链接函数，实现代码的灵活性和可重用性。