Windows PE 文件头解析

2022-04-29 09:04

0x01 PE文件基本介绍

PE文件的全称是Portable Executable，意为可移植的可执行的文件，常见的EXE、DLL、OCX、SYS、COM都是PE文件，PE文件是微软Windows操作系统上的程序文件（来自百度百科）。包括DOS头、PE头、节表、导入表和导出表。

本文主要介绍DOS头、NT头、标准PE头、可选PE头和节表。

在介绍前先了解几个概念：

虚拟地址（Virtual Address，VA）：在windows系统中，PE文件被系统加载器映射到内存中。每个程序都有自己的虚拟空间，这个虚拟空间的内存地址称为虚拟地址。

相对虚拟地址（Relative Virtual Address，RVA）：RVA是PE文件被装在到内存中，某个数据位置相对于装入地址的偏移量。假设一个程序从400000h处装入，代码开始与401000h，于是RVA = 401000h - 400000h，为1000h

虚拟地址（RV）= 基地址（ImageBase）+ 相对虚拟地址（RVA）

有关ImageBase的内容后面会介绍到。

下图为PE文件的基本结构：

0x02 DOS头

本文使用32位程序做演示。

DOS头（IMAGE_DOS_HEADER）的大小为40H（64字节）

DOS头的基本结构如下：

struct _IMAGE_DOS_HEADER { 0x00 WORD e_magic; *       //5A 4D         MZ标记，用来判断是否为可执行文件0x02 WORD e_cblp;          //00 900x04 WORD e_cp;            //00 030x06 WORD e_crlc;          //00 000x08 WORD e_cparhdr;       //00 040x0a WORD e_minalloc;      //00 000x0c WORD e_maxalloc;      //FF FF0x0e WORD e_ss;            //00 000x10 WORD e_sp;            //00 B80x12 WORD e_csum;          //00 000x14 WORD e_ip;            //00 000x16 WORD e_cs;            //00 000x18 WORD e_lfarlc;        //00 400x1a WORD e_ovno;          //00 000x1c WORD e_res[4];        //00 00 00 000x24 WORD e_oemid;         //00 000x26 WORD e_oeminfo;       //00 000x28 WORD e_res2[10];      //00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 000x3c DWORD e_lfanew; *     //00 00 00 E8    PE头相对于文件的偏移，用于定位PE文件};

在DOS头中比较重要的两个参数：

e_magic：在DOS头开始的位置，大小为2字节，存储的内容一般为5A 4D，也就是'MZ'的十六进制，'MZ'是MS-DOS的创建者之一Mark Zbikowski名字的缩写，通常用来判断文件是否为可执行文件。

e_lfanew：在DOS头结束的位置，大小为4字节，是PE头相对于文件的偏移，用于定位PE文件头的位置。

可以通过e_lfanew中存储的数据找到PE文件头的位置，图中e_lfanew存储的内容为00 00 00 F0（小端存储），所以可以定位到PE文件头的位置在F0H。

在e_lfanew到PE文件头的这段空间，是由编译器生成，用来存储一些程序运行的信息，可以随意更改，对程序没有影响。

0x03 PE文件头

PE文件头是PE相关结构NT映像头的简称，其中包含许多PE装载器能用到的重要字段，在NT头中除了存放了4个字节的PE文件头标识以外还有标准PE头和可选PE头。

NT头（IMAGE_NT_HEADERS）的基本结构如下：

struct _IMAGE_NT_HEADERS {0x00 DWORD Signature;                          //00 00 45 50  PE文件标识，PE文件头的开始0x04 _IMAGE_FILE_HEADER FileHeader;            //标准PE头0x18 _IMAGE_OPTIONAL_HEADER OptionalHeader;    //可选PE头};

可以看到在NT头的开始处是一个32位的标志信息，PE\0\0，DOS头中的e_lfanew指向该位置

1、标准PE头

标准PE头（IMAGE_FILE_HEADER）的大小为12H（20字节）

标准PE头的基本结构如下：

struct _IMAGE_FILE_HEADER {0x00 WORD Machine; *               //01 4C         程序运行的cpu型号：0x0任何处理器   386即后续处理器0x02 WORD NumberOfSections; *      //00 04         文件中存在的节的总数，如果要新增节或者合并节，就需要修改这个值0x04 DWORD TimeDateStamp; *        //4B 67 34 C3   时间戳：文件创建的时间（编译器填写）0x08 DWORD PointerToSymbolTable;   //00 00 00 00   指向符号表（用于调试）0x0c DWORD NumberOfSymbols;        //00 00 00 00   符号表中符号的个数（用于调试）0x10 WORD SizeOfOptionalHeader; *  //00 E0         可选PE头的大小，32位PE文件默认0xE0，64位PE文件默认0xF00x12 WORD Characteristics; *       //01 22         文件属性  每一位的含义不同};

在标准PE头中比较重要的几个参数：

Machine：存储了程序运行的cpu型号，2字节大小，一般0x14C遇见的比较多，这是在网上找到的winnt.h中各个值对应的信息。

#define IMAGE_FILE_MACHINE_UNKNOWN           0#define IMAGE_FILE_MACHINE_TARGET_HOST       0x0001  // Useful for indicating we want to interact with the host and not a WoW guest.#define IMAGE_FILE_MACHINE_I386              0x014c  // Intel 386.#define IMAGE_FILE_MACHINE_R3000             0x0162  // MIPS little-endian, 0x160 big-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_R4000             0x0166  // MIPS little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_R10000            0x0168  // MIPS little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_WCEMIPSV2         0x0169  // MIPS little-endian WCE v2#define IMAGE_FILE_MACHINE_ALPHA             0x0184  // Alpha_AXP#define IMAGE_FILE_MACHINE_SH3               0x01a2  // SH3 little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_SH3DSP            0x01a3#define IMAGE_FILE_MACHINE_SH3E              0x01a4  // SH3E little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_SH4               0x01a6  // SH4 little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_SH5               0x01a8  // SH5#define IMAGE_FILE_MACHINE_ARM               0x01c0  // ARM Little-Endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_THUMB             0x01c2  // ARM Thumb/Thumb-2 Little-Endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_ARMNT             0x01c4  // ARM Thumb-2 Little-Endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_AM33              0x01d3#define IMAGE_FILE_MACHINE_POWERPC           0x01F0  // IBM PowerPC Little-Endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_POWERPCFP         0x01f1#define IMAGE_FILE_MACHINE_IA64              0x0200  // Intel 64#define IMAGE_FILE_MACHINE_MIPS16            0x0266  // MIPS#define IMAGE_FILE_MACHINE_ALPHA64           0x0284  // ALPHA64#define IMAGE_FILE_MACHINE_MIPSFPU           0x0366  // MIPS#define IMAGE_FILE_MACHINE_MIPSFPU16         0x0466  // MIPS#define IMAGE_FILE_MACHINE_AXP64             IMAGE_FILE_MACHINE_ALPHA64#define IMAGE_FILE_MACHINE_TRICORE           0x0520  // Infineon#define IMAGE_FILE_MACHINE_CEF               0x0CEF#define IMAGE_FILE_MACHINE_EBC               0x0EBC  // EFI Byte Code#define IMAGE_FILE_MACHINE_AMD64             0x8664  // AMD64 (K8)#define IMAGE_FILE_MACHINE_M32R              0x9041  // M32R little-endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_ARM64             0xAA64  // ARM64 Little-Endian#define IMAGE_FILE_MACHINE_CEE               0xC0EE

NumberOfSections：存储了文件中节的总数，2字节大小，不同的可执行文件节的总数是不一样的，可以通过NumberOfSections得知当前文件节的总数，对节的内容进行遍历，如果要增加或者删除节，也是修改此参数。

TimeDateStamp：存储了文件创建的时间，4字节大小，是由编译器写入的。

SizeOfOptionalHeader：存储了可选PE头的大小，2字节大小，可选PE头的大小一般是不固定的，通常情况下32位程序为0xE0，64位程序为0xF0，此值可以自定义。

Characteristics：存放了文件属性，2字节大小，它的每一位的含义都不同，当前程序的值为0x0122，所以换算成二进制就是0000 0001 0010 0010，对应的属性如下图所示

标准PE头在程序中的位置：

2、可选PE头

在标准PE头后面就是可选PE头（IMAGE_OPTIONAL_HEADER），32位程序和64位程序可选PE头大小分别是0xE0和0xF0，在内容上也略有不同。

32位可选PE头的基本结构如下：

struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER32 {0x00 WORD Magic; *                      //01 0B         说明文件是ROM镜像（0107h），还是普通的可执行的镜像（010Bh）0x02 BYTE MajorLinkerVersion;           //0A            链接程序的主版本号0x03 BYTE MinorLinkerVersion;           //00            链接程序的次版本号0x04 DWORD SizeOfCode; *                //00 06 22 00   所有代码节的和，必须为FileAlignment的整数倍，编译器填写0x08 DWORD SizeOfInitializedData; *     //00 03 16 00   已初始化数据大小的和，必须为FileAlignment的整数倍0x0c DWORD SizeOfUninitializedData; *   //00 00 00 00   未初始化数据大小的和，必须为FileAlignment的整数倍0x10 DWORD AddressOfEntryPoint; *       //00 05 8C 77   程序入口0x14 DWORD BaseOfCode; *                //00 00 10 00   代码开始的基址，编译器填写0x18 DWORD BaseOfData; *                //00 06 40 00   数据开始的基址，编译器填写0x1c DWORD ImageBase; *                 //01 00 00 00   内存镜像基址0x20 DWORD SectionAlignment; *          //00 00 10 00   内存对齐 0x24 DWORD FileAlignment; *             //00 00 02 00   文件对齐0x28 WORD MajorOperatingSystemVersion;  //00 06         要求操作系统的最低版本号的主版本号0x2a WORD MinorOperatingSystemVersion;  //00 01         要求操作系统的最低版本号的次版本号0x2c WORD MajorImageVersion;            //00 06         该可执行文件的主版本号0x2e WORD MinorImageVersion;            //00 01         该可执行文件的次版本号0x30 WORD MajorSubsystemVersion;        //00 05         要求最低子系统版本的主版本号0x32 WORD MinorSubsystemVersion;        //00 00         要求最低子系统版本的次版本号0x34 DWORD Win32VersionValue;           //00 00 00 00   从来不用的字段，通常设置为00x38 DWORD SizeOfImage; *               //00 09 70 00   内存中整个PE文件的映射的尺寸0x3c DWORD SizeOfHeaders; *             //00 00 04 00   所有头+节表按照文件对齐后的大小，必须是正确的，否则加载会出错0x40 DWORD CheckSum; *                  //00 08 F0 A9   校验和，用来判断文件是否被修改0x44 WORD Subsystem;                    //00 02         表明可执行文件所期望的子系统的枚举值0x46 WORD DllCharacteristics;           //81 40         DllMain（）函数何时被调用，默认为00x48 DWORD SizeOfStackReserve; *        //00 04 00 00   初始化时保留的堆栈大小0x4c DWORD SizeOfStackCommit; *         //00 00 20 00   初始化时实际提交的大小0x50 DWORD SizeOfHeapReserve; *         //00 10 00 00   初始化时保留的堆的大小0x54 DWORD SizeOfHeapCommit; *          //00 00 10 00   初始化时实际提交的大小0x58 DWORD LoaderFlags;                 //00 00 00 00   与调试有关，默认为00x5c DWORD NumberOfRvaAndSizes; *       //00 00 00 10   目录项数目0x60 _IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[16];};

在32位程序中如下图所示：

IMAGE_OPTIONAL_HEADER64和IMAGE_OPTIONAL_HEADER32不同的是IMAGE_OPTIONAL_HEADER64没有BaseOfData参数，并且ImageBase、SizeOfStackReserve、SizeOfStackCommit、SizeOfHeapReserve、SizeOfHeapCommit的大小为ULONGLONG，也就是64位8个字节。

64位可选PE头的基本结构如下：

struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {0x00 WORD Magic; *                      //02 0B         说明文件是ROM镜像（0107h），还是普通的可执行的镜像（010Bh）0x02 BYTE MajorLinkerVersion;           //0B            链接程序的主版本号0x03 BYTE MinorLinkerVersion;           //00            链接程序的次版本号0x04 DWORD SizeOfCode; *                //00 01 82 00   所有代码节的和，必须为FileAlignment的整数倍，编译器填写0x08 DWORD SizeOfInitializedData; *     //00 01 EE 00   已初始化数据大小的和，必须为FileAlignment的整数倍0x0c DWORD SizeOfUninitializedData; *   //00 00 00 00   未初始化数据大小的和，必须为FileAlignment的整数倍0x10 DWORD AddressOfEntryPoint; *       //00 00 2C 80   程序入口0x14 DWORD BaseOfCode; *                //00 00 10 00   代码开始的基址，编译器填写0x1c ULONGLONG ImageBase; *             //00 00 00 01 40 00 00 00  内存镜像基址0x20 DWORD SectionAlignment; *          //00 00 10 00   内存对齐 0x24 DWORD FileAlignment; *             //00 00 02 00   文件对齐0x28 WORD MajorOperatingSystemVersion;  //00 06         要求操作系统的最低版本号的主版本号0x2a WORD MinorOperatingSystemVersion;  //00 03         要求操作系统的最低版本号的次版本号0x2c WORD MajorImageVersion;            //00 06         该可执行文件的主版本号0x2e WORD MinorImageVersion;            //00 03         该可执行文件的次版本号0x30 WORD MajorSubsystemVersion;        //00 06         要求最低子系统版本的主版本号0x32 WORD MinorSubsystemVersion;        //00 03         要求最低子系统版本的次版本号0x34 DWORD Win32VersionValue;           //00 00 00 00   从来不用的字段，通常设置为00x38 DWORD SizeOfImage; *               //00 03 B0 00   内存中整个PE文件的映射的尺寸0x3c DWORD SizeOfHeaders; *             //00 00 04 00   所有头+节表按照文件对齐后的大小，必须是正确的，否则加载会出错0x40 DWORD CheckSum; *                  //00 03 CE 33   校验和，用来判断文件是否被修改0x44 WORD Subsystem;                    //00 02         表明可执行文件所期望的子系统的枚举值0x46 WORD DllCharacteristics;           //C1 60         DllMain（）函数何时被调用，默认为00x48 ULONGLONG SizeOfStackReserve; *    //00 00 00 00 00 08 00 00  初始化时保留的堆栈大小0x50 ULONGLONG SizeOfStackCommit; *     //00 00 00 00 00 01 10 00  初始化时实际提交的大小0x58 ULONGLONG SizeOfHeapReserve; *     //00 00 00 00 00 10 00 00  初始化时保留的堆的大小0x60 ULONGLONG SizeOfHeapCommit; *      //00 00 00 00 00 00 10 00  初始化时实际提交的大小0x68 DWORD LoaderFlags;                 //00 00 00 00   与调试有关，默认为00x6C DWORD NumberOfRvaAndSizes; *       //00 00 00 10   目录项数目0x70 _IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[16];};

在64位程序中如下图所示：

在32位程序中可选PE头比较重要的参数有以下几个：

Magic：说明文件是ROM镜像（0107h），还是普通的可执行的镜像（010Bh），一般来说32位程序是010Bh，64位程序是020Bh。

SizeOfCode：存储了所有代码节的和，他必须是FileAlignment文件对齐的整数倍，此程序文件对齐的大小是200H，所以SizeOfCode的大小为1000H，为200H的整数倍，由编译器填写。

SizeOfInitializedData：存储已经初始化数据块的大小，即在编译的时候所构成的块的大小（不包括代码段），此值也为文件对齐的整数倍，由编译器填写。

SizeOfUninitializedData：未初始化数据块的大小，装载程序要在虚拟地址空间中为这些数据约定空间，一般存在.bss节中，为文件对齐的整数倍，由编译器填写。

AddressOfEntryPoint：可选PE头中最重要的一个参数，也就是我们通常说的OEP，是当前程序的入口位置，该地址是一个相对虚拟地址，指向了程序执行的第一条代码，如果程序被加壳，那么这个地址就会被修改，通常在使用OD进行动态调试的时候，OD首次停留的位置就是AddressOfEntryPoint。

BaseOfCode：代码开始的基址，在内存中，代码段通常在PE文件头之后，数据段开始之前，此值通常由编译器填写。

BaseOfData：数据开始的基址，数据段通常在内存的末尾，在64位程序中没有该参数，此值通常由编译器编写。

ImageBase：内存的镜像地址，也称基地址，是文件在内存中的首选装入地址，如果文件需要在内存中执行的话，会首先使用ImageBase中存放的地址，如果地址被占用，文件会被装入到其他地址中，因为直接装入这个地址不需要进行重定位，所以速度会很快，如果当前地址被占用就需要重定位后装入其他的地址，相对来说速度就会慢一些。

SectionAlignment：程序被装入内存后的对齐大小，通常为1000H。

FileAlignment：程序在没有被装入内存前文件对齐的大小，通常为200H或者1000H，在为1000H的时候文件对齐和内存对齐相同，会加快程序的运行速度。为200H时程序装载到内存中需要进行拉伸操作，把对齐大小拉伸到1000H，这样做相对来说速度会慢一些，但是在磁盘中存储会节省空间。

SizeOfImage：是程序在装入内存后的整个PE文件在内存中的映射尺寸，指的就是装入文件从ImageBase到最后一个块的大小，可以比实际的值大，但必须是SectionAlignment内存对齐的整数倍。

SizeOfHeaders：是DOS头，PE文件头和节表的总大小，该值必须是正确的，否则程序无法运行。

CheckSum：映像的校验和，可以用来检查文件是否被更改。

SizeOfStackReserve：初始化时保留的堆栈大小。

SizeOfStackCommit：初始化时实际提交的大小。

SizeOfHeapReserve：初始化时保留的堆的大小。

SizeOfHeapCommit：初始化时实际提交的大小。

NumberOfRvaAndSizes：数据目录的项数。

DataDirectory：数据目录表，由数个IMAGE_DATA_DIRECTORY结构组成，指向输出表、输入表、资源块等数据，如下图所示

0x04 节表

节表大小为24H（40字节）

节表不止一个，可能有多个，节表的数量存在标准PE头中的NumberOfSections属性，虽然节表有多个，但是每个节表中的结构是相同的。

节表的基本结构如下：

typedef struct _IMAGE_SECTION_HEADER {0x00 BYTE Name[IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME];     //00 00 00 74 78 65 74 2E 8字节，节表的名字，一般情况下"\0"来结束，内容可以自己定义union {    0x08 DWORD PhysicalAddress;   0x08 DWORD VirtualSize;                    } Misc;                                      //00 01 80 6C   双字，是该节在没有对齐前的真是尺寸，内容可以不准确0x0c DWORD VirtualAddress;                   //00 00 10 00   节区在内存中的偏移地址0x10 DWORD SizeOfRawData;                    //00 01 82 00   节在文件中对齐后的尺寸0x14 DWORD PointerToRawData;                 //00 00 04 00   节区在文件中的偏移0x18 DWORD PointerToRelocations;             //00 00 00 00   在exe文件中无意义0x1c DWORD PointerToLinenumbers;             //00 00 00 00   在exe文件中无意义0x20 WORD NumberOfRelocations;               //00 00         在exe文件中无意义0x22 WORD NumberOfLinenumbers;               //00 00         该节在行号表中的行号数0x24 DWORD Characteristics;                  //60 00 00 20   节的属性};

Name：存储节表的名字，一般情况下‘.’开始，"\0"来结束，内容可以自定义，所以并不能完全靠Name参数来判断节表中的内容。

VirtualSize：实际使用的节的大小，也就是对齐前的节的大小。如果VirtualSize的值大SizeOfRawData，那么SizeOfRawData表示来自可执行文件初始化数据的大小，与VirtualSize相差的字节用0填充。

VirtualAddress：存储节区在内存中的偏移地址，需要加上ImageBase才是真实的地址。

SizeOfRawData：节在文件中的尺寸，也就是该节在磁盘中所占用的空间。

PointerToRawData：节区在文件中的偏移。

Characteristics：节的属性，通过属性表里的值相加得到。

本例中节的属性值为60 00 00 20H，也就是包含可执行代码+该块可执行+该块可读。

节表在程序中如下图所示：

0x05 简单的32位PE头解析器编写

//程序打印DOS头，PE头和所有的节表，代码比较简单，主要是便于理解DOS头，PE头和所有的节表#include "stdafx.h"#include "malloc.h"#include "windows.h"
LPVOID ReadPEFile(LPSTR lpszFile){  FILE* pFile = NULL;   DWORD FileSize = 0;  LPVOID pFileBuffer = NULL;
  pFile = fopen(lpszFile,"rb");  if(!pFile){    printf("无法打开exe文件");    return NULL;  }
  fseek(pFile,0,2);  FileSize = ftell(pFile);  fseek(pFile,0,0);
  pFileBuffer = malloc(FileSize);  if(!pFileBuffer){    printf("初始化空间失败");    fclose(pFile);    return NULL;  }
  size_t n = fread(pFileBuffer,FileSize,1,pFile);  if(!n){    printf("读取数据失败");    free(pFileBuffer);    fclose(pFile);    return NULL;  }
  fclose(pFile);  return pFileBuffer;
}
VOID PrintSectionHeader(){  LPVOID pFileBuffer = NULL;  PIMAGE_DOS_HEADER pDosHeader = NULL;  PIMAGE_NT_HEADERS pNTHeader = NULL;  PIMAGE_FILE_HEADER pPEHeader = NULL;  PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32 pOptionHeader = NULL;  PIMAGE_SECTION_HEADER pSeationHeader = NULL;  int SectionsCounts = 0;
  pFileBuffer = ReadPEFile("xxxxx/notepad.exe");  if(!pFileBuffer){    printf("读取文件失败");    return ;  }
  if(*((PWORD)pFileBuffer) != IMAGE_DOS_SIGNATURE){    printf("不是有效的MZ标志\n");    free(pFileBuffer);    return ;  } 
  pDosHeader = (PIMAGE_DOS_HEADER)pFileBuffer;
  if(*((PWORD)((DWORD)pFileBuffer + pDosHeader -> e_lfanew)) != IMAGE_NT_SIGNATURE){    printf("不是有效的PE标志\n");    free(pFileBuffer);    return ;  }
  pNTHeader = (PIMAGE_NT_HEADERS)((DWORD)pFileBuffer + pDosHeader -> e_lfanew);  printf("****************NT头***************\n");  printf("NT：%x\n\n",pNTHeader -> Signature);  pPEHeader = (PIMAGE_FILE_HEADER)(((DWORD)pNTHeader) + 4);  printf("****************PE头***************\n");  printf("PE：%x\n",pPEHeader -> Machine);  printf("节的数量：%x\n",pPEHeader -> NumberOfSections);  printf("可选PE头的大小：%x\n",pPEHeader -> SizeOfOptionalHeader);  SectionsCounts = pPEHeader -> NumberOfSections;  printf("节表数：%x\n\n",SectionsCounts);  pOptionHeader = (PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32)((DWORD)pPEHeader + IMAGE_SIZEOF_FILE_HEADER);  printf("****************OPTION_PE头***************\n");  printf("OPTION_PE: %x\n\n",pOptionHeader -> Magic);  pSeationHeader = (PIMAGE_SECTION_HEADER)(((DWORD)pOptionHeader) + pPEHeader -> SizeOfOptionalHeader);  printf("****************节表***************\n");
  for (int i = 0; i < SectionsCounts; i++,pSeationHeader++){    printf("节表%d名字：%s\n",(i + 1),pSeationHeader);    printf("Misc:%x\n",pSeationHeader -> Misc);    printf("VirtualAddress:%x\n",pSeationHeader -> VirtualAddress);    printf("SizeOfRawData:%x\n",pSeationHeader -> SizeOfRawData);    printf("PointerToRawData:%x\n",pSeationHeader -> PointerToRawData);    printf("Characteristics:%x\n\n",pSeationHeader -> Characteristics);  }  free(pFileBuffer);}
int main(int argc, char* argv[]){  PrintSectionHeader();  getchar();  return 0;}

关

于

我

们

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