Windows Prefetch 개요와 File Format

 

Prefetch 개요

프리패치는 Windows 운영체제에서 소프트웨어 활동과 관련된 정보를 저장하기 위해 사용하는 메모리 관리 기법 중 하나이다. 이를 사용할 경우 자주 사용될 프로그램들을 미리 메모리에 로드해두기 때문에 더 빠른 실행이 가능하다.

프리패치는 파일 형태로 데이터를 저장하는데, 이렇게 저장된 파일은 다음의 용도로 활용될 수 있다.

• Windows 및 응용 프로그램 시작 성능 향상
• 응용 프로그램(바이러스)의 행위 연구, 포렌식 분석

 

물론 prefetch의 동작 방식 때문에 오히려 불필요하게 RAM을 사용하게 될 수 있어 이미 PC 성능이 좋거나 SSD를 사용하고 있는 경우에는 RAM 공간 확보를 위해 비활성화를 추천하기도 한다.

그렇기에 prefetch는 무조건 활성화되어 있지 않을 수 있으며 다음의 레지스트리 경로를 이용하여 prefetch 활성화 여부를 확인할 수 있다.

HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management\PrefetchParameters [EnablePrefetcher]

EnablePrefetcher의 값은 0~3 중 하나로 설정할 수 있으며, 각각의 값은 다음과 같은 의미를 가진다.

• 0: Prefetch 사용 안함
• 1: ALP만 사용
• 2: BP만 사용
• 3 (기본값): ALP와 BP 모두 사용

 

여기에서 확인할 수 있듯이 prefetch에는 다음의 두 가지 유형이 존재한다. 기본적으로 두 가지를 모두 사용하도록 설정되어 있으나, 필요에 따라 레지스트리의 값을 변경하여 원하는 옵션으로 사용할 수 있다.

• ALP(Application-Launch Prefetching): 사용자가 자주 사용하는 응용프로그램의 정보를 prefetching 하는 것으로, 응용 프로그램의 실행 속도를 높일 수 있다.
• BP(Boot Prefetching): 부팅 시 사용하는 파일이나 프로그램의 정보를 prefetching 하는 것으로, 부팅 속도를 높일 수 있다.

 

Prefetching된 데이터는 파일 형태로 저장되어 있다가, 부팅 시 저장해둔 prefetch 파일을 메모리에 로드해두고, 실제 프로그램 사용 시 메모리에서 해당 데이터를 불러와 사용할 수 있게 한다. 저장된 프리패치 파일은 %SystemRoot%\Prefetch 폴더에서 확인할 수 있다.

(Windows 10 기준) Prefetch 폴더 내 저장된 파일 및 폴더 유형은 다음과 같다.

• ReadyBoot
• Layout.ini
• Prefetch Files (.pf)

 

ReadyBoot 폴더는 Boot Prefetch에 필요한 파일들을 저장하는데 사용된다. 매 부팅 시 Trace#.fx 이름으로 부팅에 필요한 파일 및 데이터 정보가 포함된 파일이 생성된다. 이 파일은 ReadyBoot 폴더 내에 생성되며 가장 최근에 생성된 파일을 기준으로 최대 5개까지 저장된다. 이외에도 1개의 rblayout.xin 파일이 ReadyBoot 폴더 내에 저장되는데, 이 파일을 이용하여 ReadyBoot 시 필요한 정보 및 캐시 파일을 관리한다.

 

Layout.ini 파일에서는 프리패치 버전과 프리패치 파일의 목록을 확인할 수 있다. Layout.ini 파일은 부팅이나 응용 프로그램 시 참조되는 순서대로 파일의 경로가 기록되며, 약 3일 마다 내용이 업데이트된다. 그렇기 때문에 실제 Prefetch 폴더에 저장된 prefetch 파일의 저장 여부와 일치하지 않을 수 있으며, 오래전에 실행된 적 있는 파일에 대한 항목도 존재할 수 있다.

 

Prefetch 파일은 한번 이상 실행된 적 있는 응용 프로그램에 대한 데이터가 저장된다. 이러한 점을 이용하여 PC에서 사용자의 응용 프로그램 사용 흔적 또는 악성 프로그램 실행 기록을 추적할 수 있다.

각 프리패치 파일에 포함되는 정보는 다음과 같다.

• 프리패치 파일의 MAC 타임스탬프
• 프리패치 파일의 크기
• 프리패치 파일에 해당하는 프로세스
• 파일이 실행된 volume 또는 논리 드라이브 경로
• 프로그램 실행 횟수
• 프로그램의 마지막 실행 시간에 대한 타임스탬프
• 프리패치 파일에 의해 로드된 추가 파일

 

여기에서 파일의 생성 시각과 수정 시각 정보는 각각 다음과 같은 의미로 해석될 수 있다.

• 파일의 생성 시각: exe 프로그램 최초 실행 시각
• 파일의 수정 시각: exe 프로그램의 마지막 실행 시각

 

프리패치 파일은 Prefetch 폴더 내에 모두 존재하며, prefetch 파일의 개수가 운영체제 별 최대 제한 개수에 도달하면 가장 오래전에 실행된 순으로 파일을 삭제한다. 운영체제별로 유지하는 최대 prefetch 파일 개수는 다음과 같다.

• Windows XP, 7: 128개
• Windows 8, 10: 1024개

 

Prefetch File Format

Prefetch 파일의 file format은 파일의 압축 여부에 따라 두 가지 형태를 가진다.

먼저 압축되어 있는 prefetch 파일의 구조는 다음과 같다.

• Offset 0x00 (4bytes): File Signature (4D 41 4D 04)
• Offset 0x04 (4bytes): Uncompressed Data Size
• Offset 0x08 ~: Compressed Data

Prefetch 파일의 자세한 정보를 얻기 위해서는 압축된 내용을 풀어야 한다. Windows prefetch 압축에는 LZXPRESS Huffman 압축 방식이 사용되며, 원본 내용을 보기 위해 Github에서 공유되고 있는 압축 해제 코드를 이용하여 해제하였다.

압축되지 않은 prefetch 파일의 형식은 크게 File Header와 File Body로 구분할 수 있다. File Header는 운영체제에 관계없이 공통된 구조를 가지지만 Body의 경우 운영체제 버전에 따라 서로 다른 형식을 가진다.

• File Header: offset 0x00 (84bytes)
• File Body: offset 0x54 ~

 

먼저, 버전에 관계없이 공통되는 부분인 File Header는 다음과 같은 구조를 가진다.

• Offset 0x00 (4bytes): Format Version (Little-Endian)
• Offset 0x04 (4bytes): File Signature (53 43 43 41)
• Offset 0x0C (4bytes): File Size (Little-Endian)
• Offset 0x10 (60bytes): File Name (실행 파일 이름)
• Offset 0x4C (4bytes): Prefetch Hash (Prefetch 파일 이름에 기재된 해시값)
  • Prefetch Hash는 실행 파일 경로에 대한 해시값을 가지며 Windows 버전에 따라 서로 다른 해시 함수를 사용한다.
    • Windows XP, 2003: SCCA XP hash function
    • Windows Vista, 10: SCCA Vista hash function
    • Windows 2008, 7, 2012, 8: SCCA 2008 hash function

 

Format Version으로 사용되는 값의 종류는 총 4가지이며, 각각은 다음과 같은 정보를 가리킨다.

• 0x11: Windows XP, Windows 2003
• 0x17: Windows Vista, Windows 7
• 0x1A: Windows 8.1
• 0x1E: Windows 10

 

Prefetch 파일은 기재된 format version에 따라 서로 다른 구조를 가진다. Windows 11도 Windows 10 비슷한 부분이 많은 운영체제임에 따라 0x1E version을 사용한다. 다음은 각 버전에 따른 전체 Format 구조이다.

 

• 0x11: Windows XP, Windows 2003

 

• 0x17: Windows Vista, Windows 7

 

• 0x1A: Windows 8.1

 

• 0x1E: Windows 10

 

위 format을 통해 알 수 있는 것과 같이, Windows 10과 8.1의 경우는 최근 실행 시간을 가장 최근 시간을 기준으로 8개까지 저장한다는 특징을 가진다.

여기까지가 각 운영체제별로 가지는 기본적인 prefetch의 파일 포맷이었다. 이후의 내용은 포맷 내 각 필드가 가리키는 값을 추적하는 과정을 정리하였다.

 

File metrics array

각 프리패치 파일별로, 해당 파일을 실행시키기 위해 필요한 다른 파일들을 함께 기록해두는데 이에 대한 내용은 File metrics array로 관리된다. File metrics array 내에 있는 각 entry를 탐색하기 위해서는 File metrics array offset과 Filename strings offset을 필요로 한다.

File metrics array는 File metrics array offset 필드에 정의된 offset 위치에서 시작한다. File metrics array의 각 entry는 일정한 형식을 갖추고 있는데, 이 형식은 운영체제에 따라 약간의 차이를 가진다.

• 0x11: Windows XP, Windows 2003

• 0x17, 0x1A, 0x1E: Windows Vista, Windows 7, Windows 8.1, Windows 10

Unknown의 경우는 확실하지 않은 값이므로 그 쓰임을 명시해두지 못했지만
Windows 7, 8, 10에서의 Unknown 간에는 다음과 같은 규칙을 가지고 있음을 확인하였다.

• Unknown1은 초기값 0에서 시작하여 다음 entry로 넘어갈 때마다 Unknown2 만큼 더해진 값을 갖는다.
• 2번째 필드와 3번째 필드는 매 entry 내에서 서로 동일한 값을 갖는다.

 

이러한 필드를 제외한 채, Filename string offset과 Filename string number 필드값을 이용하면 각 entry에 해당하는 파일명을 찾을 수 있다. 다음은 Windows 10 환경의 프리패치 파일에서 직접 entry 내 파일명을 확인하기까지의 과정이다.

 

Volumes information

Prefetch 파일을 통해 이 실행 파일이 어느 볼륨에서 실행된 것인지 확인할 수 있으며, 파일에 할당된 file reference를 실행된 볼륨의 데이터와 매핑시켜볼 수 있다.

Volumes information 데이터 추적도 기본 file format의 필드로부터 시작한다. 파일의 시작 지점으로부터 offset 0x6C 위치에서 4바이트 크기의 volume information offset 정보를 확인할 수 있다. 이 offset을 따라가면 volume information entry를 찾을 수 있는데, 여기서의 entry 구조 역시 운영체제 버전에 따라 다르다.

• 0x11: Windows XP, Windows 2003

 

• 0x17, 0x1A: Windows Vista, Windows 7, Windows 8.1

 

• 0x1E: Windows 10

 

다음은 Windows 10 환경의 프리패치 파일에서 직접 entry 내 볼륨 정보를 확인하기까지의 과정이다. 

 

요약

1. Windows의 Prefetch는 자주 사용될 프로그램들을 미리 메모리에 로드해두어 빠른 실행을 가능하게 하는 메모리 관리 기법 중 하나
2. 실행된 적 있는 프로그램은 프리패치 파일로 남기 때문에 응용 프로그램(바이러스)에 대한 행위 연구, 포렌식 분석 활용 가능
3. Prefetch는 비활성화 설정도 가능하기 때문에 무조건 남는 아티팩트가 아니며, 안티 포렌식 목적으로 실행 후 프리패치 파일을 삭제할 수도 있음
4. 최근 운영체제의 prefetch 파일의 경우 LZXPRESS Huffman 압축이 되어있는 경우가 많아 내용 확인 시 압축 해제 또는 전용 도구 필요

 

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참고 자료

• Prefetch Files in Windows, geeksforgeeks, 2020.10, https://www.geeksforgeeks.org/prefetch-files-in-windows/
• Prefetch는 무슨 서비스일까? 켜고 끄는 방법은?, tistory, 2019.12, https://gbworld.tistory.com/1236
• Windows Prefetch File (PF) format, Github, 2023.07, https://github.com/libyal/libscca/blob/main/documentation/Windows%20Prefetch%20File%20(PF)%20format.asciidoc
• Inside the Windows Vista Kernel: Part 2, Microsoft TechNet Magazine 2007, 2007.03, https://learn.microsoft.com/en-us/pr\evious-versions/technet-magazine/cc162480(v=msdn.10)?redirectedfrom=MSDN#s5
• Thoughts (and questions) on prefetch and layout.ini, trapframe.github.io, 2014.09, https://trapframe.github.io/thoughts-and-questions-on-prefetch-and-layout-ini/
• w10pfdecomp.py, Github, 2015, https://gist.github.com/dfirfpi/113ff71274a97b489dfd