【ITニュース解説】The Anatomy of a Mach-O: Structure, Code Signing, and Pac

Mach-O（Mach Object）は、macOS、iOS、watchOS、tvOSなどのApple製オペレーティングシステムで使用される実行可能ファイル、オブジェクトコード、共有ライブラリ、およびカーネル拡張のファイルフォーマットだ。初心者システムエンジニアが理解する上で重要なのは、Mach-Oが単なるファイルではなく、プログラムの実行に必要な様々な情報が体系的に格納された構造体であるという点だ。

Mach-Oファイルは、大きく分けてHeader、Load Commands、Dataの3つの主要部分で構成されている。Headerはファイルの先頭に位置し、Mach-Oファイルのタイプ（実行可能ファイル、オブジェクトコード、共有ライブラリなど）、CPUアーキテクチャ（x86_64、ARM64など）、Load Commandsの数、およびいくつかのフラグといった、ファイル全体の構造を記述するメタデータを含む。Headerの情報は、OSがファイルを正しく解釈し、実行するために不可欠となる。

Load Commandsは、OSローダー（プログラムをメモリにロードし実行する役割を担う）に対して、ファイルのどの部分をメモリのどこにロードするか、どのように実行するかといった具体的な指示を与える。Load Commandsは可変長であり、ファイルの目的や内容に応じて様々な種類が存在する。例えば、LC_SEGMENT コマンドは、ファイル内のセグメント（コード、データなど）をメモリにマッピングする方法を指定し、LC_LOAD_DYLIB コマンドは、プログラムが依存する共有ライブラリをロードする方法を指定する。Load Commandsは、プログラムの実行に必要なリソースをOSに知らせる役割を果たす。

Dataセクションは、実際のプログラムコード、データ、リソースなどが格納される。この部分はLoad Commandsの指示に基づいてメモリにロードされ、実行される。Dataセクションは、複数のセグメントに分割されており、各セグメントは特定の目的（例えば、.textセグメントは実行可能コードを、.dataセグメントは初期化されたデータを格納する）を持つ。

Mach-Oファイルには、コード署名（Code Signing）と呼ばれるセキュリティ機構が組み込まれている。コード署名は、プログラムが改ざんされていないこと、および信頼できる開発者によって作成されたことを保証するためのものだ。Appleは、App Storeで配布されるすべてのアプリケーションに対してコード署名を義務付けている。コード署名は、ファイルの特定の部分のハッシュ値を計算し、開発者の秘密鍵で暗号化することで実現される。OSは、プログラムの実行前にコード署名を検証し、署名が有効でない場合はプログラムの実行を拒否する。

PAC（Pointer Authentication Code）は、近年導入されたセキュリティ機能で、ポインタの改ざんを防ぐことを目的としている。PACは、ポインタの値に暗号化された認証コードを埋め込むことで、ポインタが正当なものであることを検証する。これにより、攻撃者がポインタを書き換えてプログラムの制御を奪うことを防ぐことができる。PACは、特にセキュリティが重要なシステムにおいて、重要な防御機構となる。

Mach-Oファイルの構造、コード署名、およびPACの理解は、システムエンジニアにとって不可欠だ。これらの知識を持つことで、プログラムの実行プロセス、セキュリティ対策、およびシステムレベルの問題解決において、より深い洞察を得ることができる。特に、macOSやiOSなどのAppleプラットフォームで開発を行うエンジニアにとっては、Mach-Oファイルの理解は必須と言えるだろう。デバッガでMach-Oファイルを解析したり、プログラムのロードプロセスを追跡したりすることで、これらの概念をより深く理解することができる。また、セキュリティエンジニアにとっては、コード署名やPACの仕組みを理解することで、脆弱性の分析や対策に役立てることができる。