SIM卡在GSM系统中的应用

SIM卡是目前手机中不可缺少的卡，有了它，手机才可以真正的叫做手机，发挥手机最根本的功能。日常我们使用手机，SIM卡是必须，没有了它就不能接入网络运营商进行通信服务。SIM卡作为网络运营商对于我们身份辨别的证件，其起到了重要的作用。

SIM卡是（Subscriber Identity Module 客户识别模块）的缩写，也称为智能卡、用户身份识别卡，GSM数字移动电话机必须装上此卡方能使用。它在一电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息，加密的密钥以及用户的电话簿等内容，可供GSM网络客户身份进行鉴别，并对客户通话时的语音信息进行加密。

SIM卡主要用于GSM系统，但是兼容的模块也用于UMTS的UE（USIM）和IDEN电话。有人把CDMA2000和cdmaOne的RUIM卡和UIM卡，也称作SIM卡，虽然两者作用类似，并遵守了一样的所有机械、电气标准和部分软件标准，但是上层应用并不一定兼容。SIM由CPU、ROM、RAM、EEPROM和I/O电路组成。用户使用SIM时，实际上是手机向SIM卡发出命令，SIM卡应该根据标准规范来执行或者拒绝；SIM卡并不是单纯的信息存储器。

SIM卡在GSM系统中的应用，使卡和手机分离，SIM卡唯一标识一个客户。一张SIM卡可以插入任何一部GSM手机中使用，而使用手机所产生的通信费则自己记录在该SIM卡所唯一标识的客户帐上。SIM卡容量有8K、16K、32K、64K，其中512k以上的大容量的SIM卡统称为STK卡。

SIM卡的主要功能

SIM卡最重要的一项功能是进行鉴权和加密。当用户移动到新的区域拨打或接听电话时，交换机都要对用户进行鉴权，以确定是否为合法用户。这时，SIM卡和交换机同时利用鉴权算法，对鉴权密钥和8位随机数字进行计算，计算结果相同的，SIM卡被承认，否则，SIM卡被拒绝，用户无法进行呼叫。SIM卡还可利用加密算法，对话音进行加密，防止窃听。

数字移动电话手机只有装上SIM卡后才能使用，否则只是一部“裸机”，只能拨通网络中心许可的几个紧急号码，如110、119等。当SIM卡被插入任何一部符合数字移动电话系统规范的移动电话手机时，就可接打电话。通话费自动记入持卡人的帐单上，而与移动电话手机无关。

为了防止手机丢失后被盗用，每张SIM卡都可设置一个密码，即个人识别码（PIN码），用来对SIM上锁。它是由用户自己设定的，且可以随时更改。只有当用户输入正确的密码后，手机才能进入正常使用状态。连续三次输入错误的个人密码，手机便会将SIM卡锁住。要解锁，必须使用解锁码。如果你忘了这个号码，或SIM卡丢失，则需带齐开户资料，携机到当地的无线营业厅解锁或挂失。

SIM卡内部结构及原理

拆开SIM卡，里边有三种材料：表面金属线路板、IC集成电路、黑色保护硬胶。三种材料各司其职，表面金属线路板负责IC与手机的传输工作，黑色保护硬胶纯为保护IC，而IC正是整块SIM卡的灵魂所在。

现在SIM卡拥有四种的物理结构，最早的版本的尺寸是与标准信用卡相同（85×54×0.78毫米），触点则符合ISO 7816对ID-1型IC卡的规定。

由于手机小型化，目前的SIM卡，又称“Mini SIM”，一般裁剪为25x15毫米的插入式。发售时一般嵌在一个ID-1型卡中，使用前沿着预制切口取下。

2010年，欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute）再从Mini SIM发展出缩小为15x12毫米的“Micro SIM”卡，Micro SIM卡首次使用在苹果公司所推出的iPad及iPhone 4，后续iPhone 4S、iPad 2等众多智能手机都有采用。

现在SIM卡均提供多种尺寸选择。2011年，苹果公司提出“Nano SIM”卡（8.8x12.3毫米）标准，经过2012年的一番竞争，该标准被欧盟采纳为4FF标准。“Nano SIM”卡最早被应用在iPhone 5与iPad mini。

SIM卡实际是装有微处理器的芯片卡，在这里面存储了数字移动电话客户的信息，加密的密钥以及用户的电话簿等内容，可供GSM网络客户身份进行鉴别，并对客户通话时的语音信息进行加密。

它的内部有5个模块，并且每个模块都对应一个功能：微处理器CPU（8位）、程序存储器ROM（3～8kbit）、工作存储器RAM（6～16kbit）数据存储器EEPROM（128～256kbit）和串行通信单元。这5个模块被胶封在SIM卡铜制接口后与普通IC卡封装方式相同。这5个模块必须集成在一块集成电路中，否则其安全性会受到威胁，因为芯片间的连线可能成为非法存取和盗用SIM卡的重要线索。

SIM卡的供电分为5V（1998年前发行）、5V与3V兼容、3V、1.8V等，现在的Micro SIM与Nano SIM卡均是1.8V，要求手机产生的SIM卡供电电压与该SIM卡所需的电压相匹配。SIM卡插入手机后，电源端口提供电源给SIM卡内各模块。

SIM卡在与手机连接时，最少需要5个连接线：电源(Vcc) 、时钟(CLK) 、数据I/O口(Data) 、复位(RST) 、接地端(GND)，如下图：

对于一个用户号码来说，IMSI和KI码是唯一的。TMSI是随时变动的。但IMSI很用以被复制。KI码需要攻击算号才出来。TMSI是电信服务商发给的。

1. 手机开机后会从SIM卡中读取IMSI(15个数字)和TMSI(4字节)；

2. 手机登录网络时，将会IMSI或TMSI发给网络；

3. 网络判断到该IMSI或TMSI有效，要生成一个128bit的RAND，然后发给手机；

4. 手机收到RAND后，将RAND发给SIM卡；

5. SIM以里面的KI为密钥对RAND进行A3A8运算，生成(SRES+Kc)；

6. 手机读取(SRES+Kc)(32bit+64bit)，并将SRES发给网络；

7. 网络自己进行一次A3A8运算，如果结果与手机返回的SRES相同，则认为该用户合法。

SIM卡保存的数据

SIM卡存储的数据可分为四类：第一类是固定存放的数据。这类数据在移动电话机被出售之前由SIM卡中心写入，包括国际移动用户识别号（IMSI）、鉴权密钥（KI）、鉴权和加密算法等等。第二类是暂时存放的有关网络的数据。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。第三类是相关的业务代码，如个人识别码（PIN）、解锁码（PUK）、计费费率等。第四类是电话号码簿，是手机用户随时输入的电话号码。用户全部资料几乎都存储在SIM卡内，因此SIM卡又称为用户资料识别卡。

这些数据都存放在各自的目录项内，第一类数据放在根目录，当电源开启后首先进入根目录，再根据指令进入相关的子目录，每种目录极其内部的数据域均有各自的识别码保护，只有经过核对判别以后才能对数据域中的数据进行查询，读出和更新。上面第一类数据通常属永久性的数据，由SIM卡生产厂商注入以后无法更改，第二类数据只有网络运行部门的专门机构才允许查阅和更新，再第三、四类数据中的大部分允许用户利用任何手机对其进行读/写操作。

SIM卡的历史及演变

SIM卡的历史可要远短于手机出现的历史。历史上的第一代手机仅支持’嵌入式’通讯标准：入网参数被硬编码到手机终端内存中。

类似于NMT-450这样最古老的模拟标准并未采用任何安全保护措施：订阅数据可任意被复制到另一部手机，如此便能以机主的身份免费拨打和接通电话了。

之后不久便推出了第一代被称为’用户识别安全（SIS）代码’的安全保护措施 —总共有18位数字，每一部手机都拥有唯一的SIS代码并被硬编码到应用处理器内。SIS代码被均匀分配给了各家手机供应商，因此任意两部手机的SIS代码都不会重复。此外，手机处理器还保存了7位RID代码，一旦用户在蜂窝网络内注册即会被发送到基站。

基站收到后则会随机创建一组数字，与唯一SIS代码捆绑后被回复到手机内，SIS处理器就用这两组数字来生成授权密钥。

尽管密钥和数字相对较短，但对于1994年来说已足够安全—但不出意料，系统随后即被破解，在这之后三年GSM（全球移动通信系统）标准出现了。GSM标准设计本身就较为安全，采用了类似于SIS但更加隐秘的回复授权系统。该标准的安全性在当时可以说是无可匹敌。

这意味着整个授权过程完全在集成入智能卡的外部处理内进行。现在人所共知的SIM最终成为了解决方案。随着SIM卡的推出，入网不再需要单纯依靠手机，手机用户因此能频繁更换手机，只需保留拥有移动识别功能的SIM卡即可。

SIM卡基本上来说就是一种 ISO 7816标准的智能卡，与其它接触式基于IC的卡并无太大差异，例如：信用卡或电话卡。第一代SIM卡甚至在外形尺寸上也与信用卡相似，但外形缩小的整体趋势使得更新且结构更紧凑的SIM卡应运而生。

由于传统的大尺寸1FF（第一代形状因子）SIM卡已不再适合插入手机，因此通讯行业发明出了一种简单且紧凑的解决方案：尺寸更小的SIM卡（mini-SIM，又称为2FF或第二代形状因子），也就是我们目前广泛使用的SIM卡。一般在新的SIM卡周围均连接了一个1FF大小尺寸的塑料框，更新的形状因子将芯片和触点排列限制在一个很小的卡片内，因此也方便于从手机中拔出。

尽管在这之后还陆续推出了micro-SIM（3FF）和nano-SIM（4FF），但无论是形状、触点排列以及嵌入芯片的特性仍然和25年无太大差别。

SIM的替代者——eSIM卡

目前个头最小的Nano SIM卡从诞生至今也已经有好多年了，而根据如今的科技水平一项将能全面取代实体SIM的可以的出现也是理所当然的，eSIM卡就是其中一项。

eSIM卡又称嵌入式SIM卡，简单的说就是将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上，也就是没有实体卡，而不是作为独立的可移除零部件加入设备中，用户无需像现在一样插入物理SIM卡

而eSIM卡将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上，而不是作为独立体单独配备。这一做法不但可以让用户更加灵活的选择运营商套餐、随时更换运营商不在受到网络制式的限制，还可以省去SIM卡制作的成本，用户也不必担心卡芯的损坏等问题。

GSMA（全球移动通信系统协会）更是针对智能手表、健身追踪器和平板电脑发布了eSIM卡远程配置规范，虽然该规范目前并不适用手机，但GSM协会也表示使用手机的eSIM规范将会发布，该规范更是得到了全球超过30家运营商、芯片商和设备商的支持，这也预示着未来我们将进入无SIM卡的时代。

eSIM卡相比传统sim卡的优势

1、不占空间

因其在制造过程中被嵌入到设备中，相比实体卡eSIM卡片能够节省更多的空间，

也可以节省设备的耗电量。

2、提供了更高的安全性

解决了暴力插卡问题，可以减小手机的返修率，减少了开孔的面积，有助于提升设备的防水性能。

3、提高灵活性

可以灵活的选择运营商网络、OTA空中下载方式动态写入用户签约信息，可以实现产品销售后的用户自主激活，在也不用烦那个运营商比较适合自己了。

4、能适应异常恶劣的环境

与设备集成的方式相比较插拔式的传统SIM卡，能够耐高温、防尘、抗震、具备适用面更广的电气特性；

eSIM卡的意义

从最直观的方面来说，如果使用eSIM卡手机中将可以取消掉传统的SIM卡槽，而节省出来的空间则可以让手机进一步变得纤薄；而且不用担心经常换卡插拔会损坏SIM卡及卡槽。不但如此，其还带来了更高的运营商切换自由，用户无需进行复杂的销号再入网就可以进行运营商网络的更换，并且在出国后不用面临高额的漫游使用费，只需选择当地运行商网络即可。

另外，使用eSIM卡的设备直接输入账号和密码登录之后就可以上网了，意味着，只能使用手机进行上网语音通话的时代即将终结，将会有更多的可穿戴智能设备实现功能独立上网及电话。语音将不再是手机专属在不久的将来，随着科技的进步一切移动电子装备均可实现语音通话、上网浏览等等功能。

eSIM卡带来的影响

对运营商的影响

由于eSIM卡将对部分运营商的现实利益带来负面影响，灵活的运营商切换和变更可能导致用户的分流、运营收入的降低和系统建设成本的高企，因此实施难免面临着一些挑战与阻力，从而导致各大运营商都是默默观望，既不抵触也不全力改革。反观在苹果的iPad Air2推出了AppleSIM之后，加入Apple SIM的运营商只有4个——美国的AT&T、Sprint、T-Mobile和英国运营商EE，得益于GIGSKY的业务覆推广至93个国家。但是，这93个国家并不包括中国、日本、韩国。即便是四家支持者对Apple SIM也并非全力支持，必须是从AT&T、Sprint手里买的iPad才能使用它们的服务，且无法切换到其他运营商。

对芯片厂商的影响

金雅拓、捷德、欧贝特等大型卡商大力推动eSIM研发部署，已经能够提供包括eSIM卡和管理平台在内的完整解决方案，可实现eSIM远程激活、管理和注销; 爱立信 、苹果、三星等设备和终端厂商积极展开专利布局并竭力推动eSIM应用，以期在产业发展中掌握更多的主动权。

对民众生活的影响

相比传统的实体SIM卡，使用eSIM技术的设备能够获得不少优势。从物理层面来看，eSIM卡相较于实体SIM卡可以减少高达90%的空间，因为它已经在制造过程中被嵌入了设备之内，用户可以进行远程激活连接。而从技术角度来看，使用eSIM技术后可以令消费者能够自由切换运营商，用户无需进行复杂的销号再入网就可以进行运营商网络的更换。

eSIM面临的问题及压力

尽管对于用户益处多多，但对于运营商，eSIM普及显然不是一件好事情。当前的环境下，凭借SIM卡“一对一”的绑定：一张卡只对应一个号码，运营商可以更好的掌握用户数据、控制资费套餐等等，换卡所带来的一大堆麻烦事使得用户不会轻易的换卡。对于运营商而言，SIM卡实际就是一块“挡箭牌”。

而eSIM的普及将会打破这个局面，用户将可以像切换Wi-Fi一样无缝切换数据网络，这将让一直由运营商牢牢把握的主导权被用户抢走，对于运营商而言，这显然是它们不想看到的。

同时，如果手机出现问题，用户无法快速换到另一部手机上使用，而手机要是丢失，补卡又要怎么解决，这都是用户所关心的问题。

相对传统实体SIM，eSIM卡还是有着许多明显的优势，技术的发展总是在向前的，更好更新的技术取代淘汰之前的事物也再正常不过。相信eSIM卡技术也将成为包括手机、智能穿戴、物联网、车联网等行业的一个共同发展趋势。

审核编辑 ：李倩