SIM卡在GSM系統(tǒng)中的應(yīng)用

SIM卡是目前手機(jī)中不可缺少的卡，有了它，手機(jī)才可以真正的叫做手機(jī)，發(fā)揮手機(jī)最根本的功能。日常我們使用手機(jī)，SIM卡是必須，沒有了它就不能接入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行通信服務(wù)。SIM卡作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對(duì)于我們身份辨別的證件，其起到了重要的作用。

SIM卡是（Subscriber Identity Module 客戶識(shí)別模塊）的縮寫，也稱為智能卡、用戶身份識(shí)別卡，GSM數(shù)字移動(dòng)電話機(jī)必須裝上此卡方能使用。它在一電腦芯片上存儲(chǔ)了數(shù)字移動(dòng)電話客戶的信息，加密的密鑰以及用戶的電話簿等內(nèi)容，可供GSM網(wǎng)絡(luò)客戶身份進(jìn)行鑒別，并對(duì)客戶通話時(shí)的語音信息進(jìn)行加密。

SIM卡主要用于GSM系統(tǒng)，但是兼容的模塊也用于UMTS的UE（USIM）和IDEN電話。有人把CDMA2000和cdmaOne的RUIM卡和UIM卡，也稱作SIM卡，雖然兩者作用類似，并遵守了一樣的所有機(jī)械、電氣標(biāo)準(zhǔn)和部分軟件標(biāo)準(zhǔn)，但是上層應(yīng)用并不一定兼容。SIM由CPU、ROM、RAM、EEPROM和I/O電路組成。用戶使用SIM時(shí)，實(shí)際上是手機(jī)向SIM卡發(fā)出命令，SIM卡應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來執(zhí)行或者拒絕；SIM卡并不是單純的信息存儲(chǔ)器。

SIM卡在GSM系統(tǒng)中的應(yīng)用，使卡和手機(jī)分離，SIM卡唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)客戶。一張SIM卡可以插入任何一部GSM手機(jī)中使用，而使用手機(jī)所產(chǎn)生的通信費(fèi)則自己記錄在該SIM卡所唯一標(biāo)識(shí)的客戶帳上。SIM卡容量有8K、16K、32K、64K，其中512k以上的大容量的SIM卡統(tǒng)稱為STK卡。

SIM卡的主要功能

SIM卡最重要的一項(xiàng)功能是進(jìn)行鑒權(quán)和加密。當(dāng)用戶移動(dòng)到新的區(qū)域撥打或接聽電話時(shí)，交換機(jī)都要對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)，以確定是否為合法用戶。這時(shí)，SIM卡和交換機(jī)同時(shí)利用鑒權(quán)算法，對(duì)鑒權(quán)密鑰和8位隨機(jī)數(shù)字進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相同的，SIM卡被承認(rèn)，否則，SIM卡被拒絕，用戶無法進(jìn)行呼叫。SIM卡還可利用加密算法，對(duì)話音進(jìn)行加密，防止竊聽。

數(shù)字移動(dòng)電話手機(jī)只有裝上SIM卡后才能使用，否則只是一部“裸機(jī)”，只能撥通網(wǎng)絡(luò)中心許可的幾個(gè)緊急號(hào)碼，如110、119等。當(dāng)SIM卡被插入任何一部符合數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)規(guī)范的移動(dòng)電話手機(jī)時(shí)，就可接打電話。通話費(fèi)自動(dòng)記入持卡人的帳單上，而與移動(dòng)電話手機(jī)無關(guān)。

為了防止手機(jī)丟失后被盜用，每張SIM卡都可設(shè)置一個(gè)密碼，即個(gè)人識(shí)別碼（PIN碼），用來對(duì)SIM上鎖。它是由用戶自己設(shè)定的，且可以隨時(shí)更改。只有當(dāng)用戶輸入正確的密碼后，手機(jī)才能進(jìn)入正常使用狀態(tài)。連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤的個(gè)人密碼，手機(jī)便會(huì)將SIM卡鎖住。要解鎖，必須使用解鎖碼。如果你忘了這個(gè)號(hào)碼，或SIM卡丟失，則需帶齊開戶資料，攜機(jī)到當(dāng)?shù)氐臒o線營業(yè)廳解鎖或掛失。

SIM卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

拆開SIM卡，里邊有三種材料：表面金屬線路板、IC集成電路、黑色保護(hù)硬膠。三種材料各司其職，表面金屬線路板負(fù)責(zé)IC與手機(jī)的傳輸工作，黑色保護(hù)硬膠純?yōu)楸Ｗo(hù)IC，而IC正是整塊SIM卡的靈魂所在。

現(xiàn)在SIM卡擁有四種的物理結(jié)構(gòu)，最早的版本的尺寸是與標(biāo)準(zhǔn)信用卡相同（85×54×0.78毫米），觸點(diǎn)則符合ISO 7816對(duì)ID-1型IC卡的規(guī)定。

由于手機(jī)小型化，目前的SIM卡，又稱“Mini SIM”，一般裁剪為25x15毫米的插入式。發(fā)售時(shí)一般嵌在一個(gè)ID-1型卡中，使用前沿著預(yù)制切口取下。

2010年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute）再從Mini SIM發(fā)展出縮小為15x12毫米的“Micro SIM”卡，Micro SIM卡首次使用在蘋果公司所推出的iPad及iPhone 4，后續(xù)iPhone 4S、iPad 2等眾多智能手機(jī)都有采用。

現(xiàn)在SIM卡均提供多種尺寸選擇。2011年，蘋果公司提出“Nano SIM”卡（8.8x12.3毫米）標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過2012年的一番競(jìng)爭(zhēng)，該標(biāo)準(zhǔn)被歐盟采納為4FF標(biāo)準(zhǔn)?！癗ano SIM”卡最早被應(yīng)用在iPhone 5與iPad mini。

SIM卡實(shí)際是裝有微處理器的芯片卡，在這里面存儲(chǔ)了數(shù)字移動(dòng)電話客戶的信息，加密的密鑰以及用戶的電話簿等內(nèi)容，可供GSM網(wǎng)絡(luò)客戶身份進(jìn)行鑒別，并對(duì)客戶通話時(shí)的語音信息進(jìn)行加密。

它的內(nèi)部有5個(gè)模塊，并且每個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)功能：微處理器CPU（8位）、程序存儲(chǔ)器ROM（3～8kbit）、工作存儲(chǔ)器RAM（6～16kbit）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM（128～256kbit）和串行通信單元。這5個(gè)模塊被膠封在SIM卡銅制接口后與普通IC卡封裝方式相同。這5個(gè)模塊必須集成在一塊集成電路中，否則其安全性會(huì)受到威脅，因?yàn)樾酒g的連線可能成為非法存取和盜用SIM卡的重要線索。

SIM卡的供電分為5V（1998年前發(fā)行）、5V與3V兼容、3V、1.8V等，現(xiàn)在的Micro SIM與Nano SIM卡均是1.8V，要求手機(jī)產(chǎn)生的SIM卡供電電壓與該SIM卡所需的電壓相匹配。SIM卡插入手機(jī)后，電源端口提供電源給SIM卡內(nèi)各模塊。

SIM卡在與手機(jī)連接時(shí)，最少需要5個(gè)連接線：電源(Vcc) 、時(shí)鐘(CLK) 、數(shù)據(jù)I/O口(Data) 、復(fù)位(RST) 、接地端(GND)，如下圖：

對(duì)于一個(gè)用戶號(hào)碼來說，IMSI和KI碼是唯一的。TMSI是隨時(shí)變動(dòng)的。但I(xiàn)MSI很用以被復(fù)制。KI碼需要攻擊算號(hào)才出來。TMSI是電信服務(wù)商發(fā)給的。

1. 手機(jī)開機(jī)后會(huì)從SIM卡中讀取IMSI(15個(gè)數(shù)字)和TMSI(4字節(jié))；

2. 手機(jī)登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會(huì)IMSI或TMSI發(fā)給網(wǎng)絡(luò)；

3. 網(wǎng)絡(luò)判斷到該IMSI或TMSI有效，要生成一個(gè)128bit的RAND，然后發(fā)給手機(jī)；

4. 手機(jī)收到RAND后，將RAND發(fā)給SIM卡；

5. SIM以里面的KI為密鑰對(duì)RAND進(jìn)行A3A8運(yùn)算，生成(SRES+Kc)；

6. 手機(jī)讀取(SRES+Kc)(32bit+64bit)，并將SRES發(fā)給網(wǎng)絡(luò)；

7. 網(wǎng)絡(luò)自己進(jìn)行一次A3A8運(yùn)算，如果結(jié)果與手機(jī)返回的SRES相同，則認(rèn)為該用戶合法。

SIM卡保存的數(shù)據(jù)

SIM卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可分為四類：第一類是固定存放的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)在移動(dòng)電話機(jī)被出售之前由SIM卡中心寫入，包括國際移動(dòng)用戶識(shí)別號(hào)（IMSI）、鑒權(quán)密鑰（KI）、鑒權(quán)和加密算法等等。第二類是暫時(shí)存放的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。如位置區(qū)域識(shí)別碼（LAI）、移動(dòng)用戶暫時(shí)識(shí)別碼（TMSI）、禁止接入的公共電話網(wǎng)代碼等。第三類是相關(guān)的業(yè)務(wù)代碼，如個(gè)人識(shí)別碼（PIN）、解鎖碼（PUK）、計(jì)費(fèi)費(fèi)率等。第四類是電話號(hào)碼簿，是手機(jī)用戶隨時(shí)輸入的電話號(hào)碼。用戶全部資料幾乎都存儲(chǔ)在SIM卡內(nèi)，因此SIM卡又稱為用戶資料識(shí)別卡。

這些數(shù)據(jù)都存放在各自的目錄項(xiàng)內(nèi)，第一類數(shù)據(jù)放在根目錄，當(dāng)電源開啟后首先進(jìn)入根目錄，再根據(jù)指令進(jìn)入相關(guān)的子目錄，每種目錄極其內(nèi)部的數(shù)據(jù)域均有各自的識(shí)別碼保護(hù)，只有經(jīng)過核對(duì)判別以后才能對(duì)數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，讀出和更新。上面第一類數(shù)據(jù)通常屬永久性的數(shù)據(jù)，由SIM卡生產(chǎn)廠商注入以后無法更改，第二類數(shù)據(jù)只有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行部門的專門機(jī)構(gòu)才允許查閱和更新，再第三、四類數(shù)據(jù)中的大部分允許用戶利用任何手機(jī)對(duì)其進(jìn)行讀/寫操作。

SIM卡的歷史及演變

SIM卡的歷史可要遠(yuǎn)短于手機(jī)出現(xiàn)的歷史。歷史上的第一代手機(jī)僅支持’嵌入式’通訊標(biāo)準(zhǔn)：入網(wǎng)參數(shù)被硬編碼到手機(jī)終端內(nèi)存中。

類似于NMT-450這樣最古老的模擬標(biāo)準(zhǔn)并未采用任何安全保護(hù)措施：訂閱數(shù)據(jù)可任意被復(fù)制到另一部手機(jī)，如此便能以機(jī)主的身份免費(fèi)撥打和接通電話了。

之后不久便推出了第一代被稱為’用戶識(shí)別安全（SIS）代碼’的安全保護(hù)措施 —總共有18位數(shù)字，每一部手機(jī)都擁有唯一的SIS代碼并被硬編碼到應(yīng)用處理器內(nèi)。SIS代碼被均勻分配給了各家手機(jī)供應(yīng)商，因此任意兩部手機(jī)的SIS代碼都不會(huì)重復(fù)。此外，手機(jī)處理器還保存了7位RID代碼，一旦用戶在蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)注冊(cè)即會(huì)被發(fā)送到基站。

基站收到后則會(huì)隨機(jī)創(chuàng)建一組數(shù)字，與唯一SIS代碼捆綁后被回復(fù)到手機(jī)內(nèi)，SIS處理器就用這兩組數(shù)字來生成授權(quán)密鑰。

盡管密鑰和數(shù)字相對(duì)較短，但對(duì)于1994年來說已足夠安全—但不出意料，系統(tǒng)隨后即被破解，在這之后三年GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了。GSM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)本身就較為安全，采用了類似于SIS但更加隱秘的回復(fù)授權(quán)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)的安全性在當(dāng)時(shí)可以說是無可匹敵。

這意味著整個(gè)授權(quán)過程完全在集成入智能卡的外部處理內(nèi)進(jìn)行?，F(xiàn)在人所共知的SIM最終成為了解決方案。隨著SIM卡的推出，入網(wǎng)不再需要單純依靠手機(jī)，手機(jī)用戶因此能頻繁更換手機(jī)，只需保留擁有移動(dòng)識(shí)別功能的SIM卡即可。

SIM卡基本上來說就是一種 ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)的智能卡，與其它接觸式基于IC的卡并無太大差異，例如：信用卡或電話卡。第一代SIM卡甚至在外形尺寸上也與信用卡相似，但外形縮小的整體趨勢(shì)使得更新且結(jié)構(gòu)更緊湊的SIM卡應(yīng)運(yùn)而生。

由于傳統(tǒng)的大尺寸1FF（第一代形狀因子）SIM卡已不再適合插入手機(jī)，因此通訊行業(yè)發(fā)明出了一種簡單且緊湊的解決方案：尺寸更小的SIM卡（mini-SIM，又稱為2FF或第二代形狀因子），也就是我們目前廣泛使用的SIM卡。一般在新的SIM卡周圍均連接了一個(gè)1FF大小尺寸的塑料框，更新的形狀因子將芯片和觸點(diǎn)排列限制在一個(gè)很小的卡片內(nèi)，因此也方便于從手機(jī)中拔出。

盡管在這之后還陸續(xù)推出了micro-SIM（3FF）和nano-SIM（4FF），但無論是形狀、觸點(diǎn)排列以及嵌入芯片的特性仍然和25年無太大差別。

SIM的替代者——eSIM卡

目前個(gè)頭最小的Nano SIM卡從誕生至今也已經(jīng)有好多年了，而根據(jù)如今的科技水平一項(xiàng)將能全面取代實(shí)體SIM的可以的出現(xiàn)也是理所當(dāng)然的，eSIM卡就是其中一項(xiàng)。

eSIM卡又稱嵌入式SIM卡，簡單的說就是將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到設(shè)備芯片上，也就是沒有實(shí)體卡，而不是作為獨(dú)立的可移除零部件加入設(shè)備中，用戶無需像現(xiàn)在一樣插入物理SIM卡

而eSIM卡將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到設(shè)備芯片上，而不是作為獨(dú)立體單獨(dú)配備。這一做法不但可以讓用戶更加靈活的選擇運(yùn)營商套餐、隨時(shí)更換運(yùn)營商不在受到網(wǎng)絡(luò)制式的限制，還可以省去SIM卡制作的成本，用戶也不必?fù)?dān)心卡芯的損壞等問題。

GSMA（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)）更是針對(duì)智能手表、健身追蹤器和平板電腦發(fā)布了eSIM卡遠(yuǎn)程配置規(guī)范，雖然該規(guī)范目前并不適用手機(jī)，但GSM協(xié)會(huì)也表示使用手機(jī)的eSIM規(guī)范將會(huì)發(fā)布，該規(guī)范更是得到了全球超過30家運(yùn)營商、芯片商和設(shè)備商的支持，這也預(yù)示著未來我們將進(jìn)入無SIM卡的時(shí)代。

eSIM卡相比傳統(tǒng)sim卡的優(yōu)勢(shì)

1、不占空間

因其在制造過程中被嵌入到設(shè)備中，相比實(shí)體卡eSIM卡片能夠節(jié)省更多的空間，

也可以節(jié)省設(shè)備的耗電量。

2、提供了更高的安全性

解決了暴力插卡問題，可以減小手機(jī)的返修率，減少了開孔的面積，有助于提升設(shè)備的防水性能。

3、提高靈活性

可以靈活的選擇運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、OTA空中下載方式動(dòng)態(tài)寫入用戶簽約信息，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷售后的用戶自主激活，在也不用煩那個(gè)運(yùn)營商比較適合自己了。

4、能適應(yīng)異常惡劣的環(huán)境

與設(shè)備集成的方式相比較插拔式的傳統(tǒng)SIM卡，能夠耐高溫、防塵、抗震、具備適用面更廣的電氣特性；

eSIM卡的意義

從最直觀的方面來說，如果使用eSIM卡手機(jī)中將可以取消掉傳統(tǒng)的SIM卡槽，而節(jié)省出來的空間則可以讓手機(jī)進(jìn)一步變得纖??；而且不用擔(dān)心經(jīng)常換卡插拔會(huì)損壞SIM卡及卡槽。不但如此，其還帶來了更高的運(yùn)營商切換自由，用戶無需進(jìn)行復(fù)雜的銷號(hào)再入網(wǎng)就可以進(jìn)行運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的更換，并且在出國后不用面臨高額的漫游使用費(fèi)，只需選擇當(dāng)?shù)剡\(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)即可。

另外，使用eSIM卡的設(shè)備直接輸入賬號(hào)和密碼登錄之后就可以上網(wǎng)了，意味著，只能使用手機(jī)進(jìn)行上網(wǎng)語音通話的時(shí)代即將終結(jié)，將會(huì)有更多的可穿戴智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立上網(wǎng)及電話。語音將不再是手機(jī)專屬在不久的將來，隨著科技的進(jìn)步一切移動(dòng)電子裝備均可實(shí)現(xiàn)語音通話、上網(wǎng)瀏覽等等功能。

eSIM卡帶來的影響

對(duì)運(yùn)營商的影響

由于eSIM卡將對(duì)部分運(yùn)營商的現(xiàn)實(shí)利益帶來負(fù)面影響，靈活的運(yùn)營商切換和變更可能導(dǎo)致用戶的分流、運(yùn)營收入的降低和系統(tǒng)建設(shè)成本的高企，因此實(shí)施難免面臨著一些挑戰(zhàn)與阻力，從而導(dǎo)致各大運(yùn)營商都是默默觀望，既不抵觸也不全力改革。反觀在蘋果的iPad Air2推出了AppleSIM之后，加入Apple SIM的運(yùn)營商只有4個(gè)——美國的AT&T、Sprint、T-Mobile和英國運(yùn)營商EE，得益于GIGSKY的業(yè)務(wù)覆推廣至93個(gè)國家。但是，這93個(gè)國家并不包括中國、日本、韓國。即便是四家支持者對(duì)Apple SIM也并非全力支持，必須是從AT&T、Sprint手里買的iPad才能使用它們的服務(wù)，且無法切換到其他運(yùn)營商。

對(duì)芯片廠商的影響

金雅拓、捷德、歐貝特等大型卡商大力推動(dòng)eSIM研發(fā)部署，已經(jīng)能夠提供包括eSIM卡和管理平臺(tái)在內(nèi)的完整解決方案，可實(shí)現(xiàn)eSIM遠(yuǎn)程激活、管理和注銷; 愛立信 、蘋果、三星等設(shè)備和終端廠商積極展開專利布局并竭力推動(dòng)eSIM應(yīng)用，以期在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中掌握更多的主動(dòng)權(quán)。

對(duì)民眾生活的影響

相比傳統(tǒng)的實(shí)體SIM卡，使用eSIM技術(shù)的設(shè)備能夠獲得不少優(yōu)勢(shì)。從物理層面來看，eSIM卡相較于實(shí)體SIM卡可以減少高達(dá)90%的空間，因?yàn)樗呀?jīng)在制造過程中被嵌入了設(shè)備之內(nèi)，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程激活連接。而從技術(shù)角度來看，使用eSIM技術(shù)后可以令消費(fèi)者能夠自由切換運(yùn)營商，用戶無需進(jìn)行復(fù)雜的銷號(hào)再入網(wǎng)就可以進(jìn)行運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的更換。

eSIM面臨的問題及壓力

盡管對(duì)于用戶益處多多，但對(duì)于運(yùn)營商，eSIM普及顯然不是一件好事情。當(dāng)前的環(huán)境下，憑借SIM卡“一對(duì)一”的綁定：一張卡只對(duì)應(yīng)一個(gè)號(hào)碼，運(yùn)營商可以更好的掌握用戶數(shù)據(jù)、控制資費(fèi)套餐等等，換卡所帶來的一大堆麻煩事使得用戶不會(huì)輕易的換卡。對(duì)于運(yùn)營商而言，SIM卡實(shí)際就是一塊“擋箭牌”。

而eSIM的普及將會(huì)打破這個(gè)局面，用戶將可以像切換Wi-Fi一樣無縫切換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這將讓一直由運(yùn)營商牢牢把握的主導(dǎo)權(quán)被用戶搶走，對(duì)于運(yùn)營商而言，這顯然是它們不想看到的。

同時(shí)，如果手機(jī)出現(xiàn)問題，用戶無法快速換到另一部手機(jī)上使用，而手機(jī)要是丟失，補(bǔ)卡又要怎么解決，這都是用戶所關(guān)心的問題。

相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體SIM，eSIM卡還是有著許多明顯的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)的發(fā)展總是在向前的，更好更新的技術(shù)取代淘汰之前的事物也再正常不過。相信eSIM卡技術(shù)也將成為包括手機(jī)、智能穿戴、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的一個(gè)共同發(fā)展趨勢(shì)。

審核編輯 ：李倩