SIM卡结构及上电流程详解
- 1. sim卡概述
- 1.1 什么是SIM卡
- 1.2 Sim卡的作用
- 2. Sim卡的主要功能
- 2.1存储数据
- 2.2 PIN码保护
- 2.3 用户身份鉴权
- 2.4 Sim卡中的保密算法及密钥
- 2.5 SIM卡的类型
- 2.6 Sim卡物理接口
- 2.7 SIM卡内部结构
- 2.8 SIM卡文件结构
- 2.9 常用的文件操作
- 2.9.1 常用的有如下操作
- 2.9.2 PIN/PUK系列的命令：
- 2.9.3 STK相关的命令：详细描述见STK主题文章
- 3. sim卡初始化流程
- 4. SIM卡常用协议
1. sim卡概述
1.1 什么是SIM卡
SIM卡是（Subscriber Identity Module客户识别模块）的缩写，也成为用户身份识别卡，移动无线终端必须安装上此卡才能使用。SIM卡是整个GSM系统中唯一确认用户身份的设备，它是向网络标明用户合法身份的重要工具。
1.2 Sim卡的作用
- 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；
2. Sim卡的主要功能
2.1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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
2.5 SIM卡的类型
- 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。
2.6 Sim卡物理接口
- 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
2.7 SIM卡内部结构
- 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
2.8 SIM卡文件结构
详细卡文件请参考：3GPP 31102 4.7
- 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。
举例：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”。
2.9 常用的文件操作
2.9.1 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
2.9.2 PIN/PUK系列的命令：
• 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
2.9.3 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。
3. sim卡初始化流程
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EFLOCL为失效，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。
4. SIM卡常用协议
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
