2016级操作系统大作业：Linux与Windows安全与文件系统详解

一、Linux中ELF文件详解 (80分) Linux中的Executable and Linkable Format (ELF) 文件是一种用于存储可执行程序和共享对象（动态链接库）的标准二进制格式。ELF文件的主要作用包括： 1. **程序结构**：ELF文件包含了程序的头部信息，如目标机器类型、版本、入口地址等，使得不同架构的处理器能正确解析和执行。 2. **模块化**：ELF支持多个段，包括代码段、数据段和符号表，便于程序的动态链接和加载，如链接库的引用可以在运行时解决。 3. **可移植性**：ELF文件设计用于跨平台使用，允许在编译时选择不同的目标平台，而无需重新编译。 4. **验证和调试**：ELF包含调试信息，便于开发人员进行调试和分析。 结合C程序实例，一个简单的验证过程可能涉及创建一个C程序，将两个全局变量（一个已初始化，如`int g_var1 = 10;`，一个未初始化，如`int g_var2;`）声明为全局，定义两个自定义函数，如`void func1(int a, int b)`和`int func2()`，每个函数内部有两个局部变量。在程序中，通过`elf_write`函数将这些信息写入ELF文件，然后在另一个程序中通过`elf_read`函数读取并执行。 验证时，可以尝试加载这个ELF文件到Linux内核，观察程序是否能正确执行函数调用和全局变量访问，同时检测未经初始化的变量是否导致错误。 二、Windows PE文件分析 (60分) Windows Portable Executable (PE) 文件是Windows操作系统中可执行文件的标准格式，用于封装应用程序的二进制代码和依赖项。PE文件包含以下几个关键部分： 1. **头部信息**：包括机器类型、链接信息、入口点等，确保在Windows环境中正确运行。 2. **节（Sections）**：存储不同的代码、数据和资源，如代码段、数据段、资源表等。 3. **导入导出表**：允许程序引用外部函数或导出供其他程序使用的函数。 结合C程序实例，创建一个带有初始化全局变量`int g_var1 = 5;`，两个函数（一个带参数`int func1(int x)`和一个不带参数`void func2()`），并在函数中使用局部变量。为了验证，可以编写一个PE文件，然后通过Windows API或第三方工具如`LoadLibrary`和`GetProcAddress`来加载和调用这些函数。 三、Linux 0.11源码解析 (60分) 在Linux 0.11源代码中，加载用户应用程序的过程大致如下： 1. 用户在控制台输入程序名，shell（例如bash）捕获用户输入并解析。 2. 命令解释器（如`execve`系统调用）被调用，传递用户输入的程序名和任何附加参数。 3. 内核搜索`/bin`、`/usr/bin`等默认路径，找到指定的可执行文件。 4. 跟踪`execve`调用，加载程序映像（通常为ELF文件）到内存。 5. 执行初始化阶段，包括设置堆栈、环境变量和进程上下文。 6. 调用程序的`main`函数开始执行，应用程序内的代码按照ELF的结构依次执行。 在这个过程中，需要注意查看shell代码中处理命令执行的部分，理解命令解析、参数传递以及与内核交互的细节。 四、Linux 2.6源码加载用户应用程序 (60分) 在Linux 2.6版本中，加载用户应用程序的流程与0.11版本相似，但可能包含更多现代特性： 1. 用户输入被`getty`或`login`守护进程捕获，然后传递给shell。 2. `execve`或更高级的系统调用`do_execve`负责执行程序。 3. 使用`dlopen`或`readelf`等工具加载ELF文件，内核可能使用`vma_map`操作管理虚拟内存。 4. 程序映射和初始化继续，包括权限检查和安全上下文设置。 5. `main`函数执行，内核通过`task_struct`结构跟踪进程状态和资源消耗。 五、总结 这两个Linux作业要求学生深入理解操作系统内核的工作原理，特别是ELF文件在Linux下的加载和执行过程，以及Windows PE文件的区别。通过实际编程练习和源码阅读，学生可以掌握文件格式、系统调用、权限管理、内存管理和程序加载机制。同时，分析源代码有助于培养软件工程和系统分析的能力。