SIM卡基础知识

什么是SIM卡

SIM卡是（Subscriber Identification Module 客户识别模块）的缩写，也称为用户身份识别卡，移动无线终端必须装上此卡方能使用。SIM卡是整个GSM系统中唯一确认用户身份的设备，它是向网络表明用户合法身份的重要工具。

SIM卡的意义

• SIM卡是完全由运营商掌握的用户端设备，通过对SIM卡的控制，实现对终端功能的控制。
• SIM卡是手机终端功能的增强和补充，提升手机终端业务能力，降低在业务推广上的终端设备投入成本；
• SIM卡可以通过预置或OTA方式部署应用，满足日益增长的行业应用需求；

SIM卡的主要功能

1. 存储数据

SIM卡存储的数据可分为四类：
    ○ 固定数据。这类数据在ME（Mobile Equipment）被出售之前由SIM卡中心写入，包括国际移动用户识别号（IMSI）、鉴权密钥（KI）等；
    ○ 临时数据。指的是网络相关的的临时数据，如位置区域识别码（LAI）、移动用户暂时识别码（TMSI）、禁止接入的公共电话网代码等；
    ○ 业务代码，如个人识别码（PIN）、解锁码（PUK）、计费费率等；
    ○ 电话号码、短消息等用户记录。

2. PIN码保护

SIM卡本身是通过PIN码来保护的，PIN是一个4～8位的个人密码，只有当用户输入正确的PIN码时，SIM卡才能被启用，移动终端才能对SIM卡进行存取，也只有PIN认证通过后，用户才能上网通话。

3. 用户身份鉴权

确认用户身份是否合法，鉴权过程是在是在网络和SIM卡之间进行的，而鉴权时间一般是在移动终端登记入网和呼叫时。鉴权开始时，网络产生一个128比特的随机数RAND，经无线电控制信道传送到移动台， SIM卡依据卡中的密钥Ki和算法A3,对接收到的RAND计算出应答信号SRES，并将结果发回网络端。而网络端在鉴权中心查明该用户的密钥Ki，用同样的RAND和算法A3算出SRES,并与收到的SRES进行比较，如一致，鉴权通过。

4. SIM卡中的保密算法及密钥

SIM卡中最敏感的数据是保密算法A3、A8、密钥Ki、PIN、PUK和Kc。A3、A8算法是在生产SIM卡时写入的，无法读出。PIN码可由用户在手机上自己设定，PUK码由运营者持有，Kc是在加密过程中由Ki导出的。

SIM卡的类型

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• mini SIM：25mm×15mm，有的文档将这种卡称为标准卡。
• micro SIM：15mm×12mm。
• nano SIM：12mm×9mm。
• 虚拟SIM：直接在手机或者其他移动设备中集成SIM卡功能，卡成为了手机芯片模块的一部分。使用虚拟SIM的设备，必定是运营商定制设备，或者设备供应商和运营商签订了协议。

SIM卡的物理接口

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• Vcc：电源输入
• RESET：复位信号
• CLK：时钟输入信号
• GND：接地
• VPP：编程电压，现在已经基本不用
• I/O：数据输入输出

SIM卡的内部结构

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• CPU：处理器单元
• RAM：用于存放临时数据
• ROM：用于存放系统程序，用户不可修改
• EEPROM：用于号码、短信等数据，可擦写的程序等

SIM卡的文件结构

SIM卡上的所有数据都是以文件的形式存放在卡片数据存储区中的，如下图，有3种文件类型：
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MF(Master File)：主文件，理解为根目录。MF文件的ID为3F00
DF(Dedicated File)：专用文件，理解为文件夹。常见的DF有：
○ DF-GSM：ID为7F20
○ DF-TELECOM：ID为7F10
○ ADF：Application DF，ID为7FFF
EF(Elementary File)：基本文件，存储数据用的文件。基本文件又分为3类
○ 透明EF：透明结构的 EF 由一个字节序列组成。简单理解为只有一条记录的文件

○ 线性固定EF：线性固定 EF 文件由一个记录长度固定的记录序列组成。第一个记录记录号是 1。简单理解为记录多条记录的文件。

○ 循环EF：循环文件用于以时间顺序存储的记录，当所有的记录空间都占用时，新的存储数据将覆盖最旧的信息。如果线型固定EF的记录是一个数组的话，循环EF的记录就是一个循环链表。

注意：线性固定EF和循环EF最多只能存放255条记录

根据上面的描述，可以看得出来，要精确的定位到一个EF文件，完整的文件路径应该是：MFID + DFID + EFID。比方说在DF-TELECOM下面的EF-SMS（保存短消息的SIM卡文件，ID为6F3C），完整路径就是“3F007F106F3C”。

常用的文件操作

在通信协议ETSI 11.11中定义了所有的操作类型，其中，
常用的有如下操作：

• SELECT：选择文件
• STATUS：查询当前目录的信息 
• READ BINARY：读取透明EF内容
• UPDATE BINARY：更新透明EF内容
• READ RECORD：读取线性固定EF或者循环EF的记录
• UPDATE RECORD：更新线性固定EF或者循环EF的记录

PIN/PUK系列的命令：详细描述见PIN码主题文章

• VERIFY CHV：验证PIN码
• CHANGE CHV：修改PIN码
• DISABLE CHV：关闭PIN码验证
• ENABLE CHV：打开PIN码验证
• UNBLOCK CHV：解锁

STK相关的命令：详细描述见STK主题文章

• TERMINAL PROFILE：告知SIM卡手机对STK的支持能力。初始化SIM卡的过程中发给SIM卡。
• FETCH：手机从SIM卡获取命令
• TERMINAL RESPONSE：手机返回SIM卡执行主动式命令的结果
• ENVELOPE：手机发送数据或者事件给SIM卡。

初始化流程(GSM，由3GPP 11.11协议定义)

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如上图所示，SIM 卡激活后(用指定的高低电平顺序给SIM卡的几个管脚上电，在ISO/IEC7816-3定义)， ME 选择专有文件 DF-GSM，并查询语种文件EF-LP(language preferred)。
如果语种文件不可得，或者 EF 中的语言不被支持，那么 ME 选择一种缺省语言。
然后 ME 进行 CHV1 验证过程。如果 CHV1 验证过程执行成功， ME 接着执行 SIM 卡 PHASE 请求过程。
如果 ME 检测到一个 PHASE 1 SIM 卡，它将忽略接与 FDN(Fixed Dialing Number，固定拨号) 有关的过程，并进入GSM启动操作。
注：现在的SIM卡基本上都是Phase 2的
对于 PHASE 2 SIM 卡，只有在以下二个条件之一满足时，才能启动 GSM 操作：

• 如果 EFIMSI 和 EFLOCI 未失效， GSM 操作立即启动；
• 如果 EFIMSI 和 EFLOCI 已失效， ME 激活这二个 EF。

如果 FDN 功能满足以下3种情况，则GSM流程启动，否则GSM操作不应该启动

• FDN 在 SIM 卡中被分配并激活，并且FDN 被置为“ ENABLED”；
• FDN 在 SIM 卡中被分配并激活，并且 FDN 被置为“ DISABLED”；
• FDN 未被分配或未被激活；

然后， ME 执行下述GSM启动操作,包括：

• ADMINISTRATIVE 信息请求
• SIM 卡服务表请求
• IMSI 请求
• 存取控制请求
• HPLMN 搜索周期请求
• PLMN 选择请求
• 位置信息请求
• 密钥请求Draft prETS 300 608:1996.08 HCCL GSM 11.11 Version4.18.0
• BCCH 信息请求
• 禁止 PLMN 请求

SIM 卡初始化成功完成以后， MS 准备 GSM 会话。

SIM卡相关3GPP通信协议

SIM卡相关协议都在以下3个协议系列中

• 11系列：GSM only (before Rel-4)
• 51系列：GSM only (Rel-4 and later)
• 31系列：3G and beyond / GSM (R99 and later)

日常工作中经常用到的有:

• SIM/USIM：11.11 / 51.011 / 31.102
• STK：11.14 / 51.015 / 31.111
• SIM/USIM测试协议：51.010 / 31.121 
• STK测试协议：51.010-4 / 31.124

手机MODEM 开发（33）---SIM卡基础知识

SIM卡基础知识

什么是SIM卡

SIM卡的意义

SIM卡的主要功能

1. 存储数据

2. PIN码保护

3. 用户身份鉴权

4. SIM卡中的保密算法及密钥

SIM卡的类型

SIM卡的物理接口

SIM卡的内部结构

SIM卡的文件结构

常用的文件操作

初始化流程(GSM，由3GPP 11.11协议定义)

SIM卡相关3GPP通信协议

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