基于Android平台虚拟SIM卡的设计与实现

0 引言

在当今互联网时代的大背景之下，互联网技术迅猛发展，手机上网的网民也日趋增长。同样，用户在境外出行时的移动上网需求也日益强烈，移动用户出国活动频繁，国际漫游业务量明显增加[1]，传统的实体SIM卡用户需要在出国之前办理国际漫游业务后，能够使用漫游地网络服务。然而，国际漫游资费高是困扰消费者的一大难题。为了解决上述所提出问题，基于智能终端的虚拟SIM卡技术得到重视和发展。通过支持虚拟SIM技术的终端消费者可以在全球覆盖范围内，以接近目的地价格水平使用数据上网服务。本文根据虚拟卡平台架构，结合Android Telephony框架结构，研究虚拟卡在Android终端中的应用以及相关的技术。针对虚拟卡参数在下载以及保存阶段可能出现的用户信息被攻击，设计基于ARM TrustZone技术实现虚拟卡的安全运行及数据安全。最后通过测试表明可以通过虚拟卡APP完成上网操作。

1 平台架构

虚拟SIM卡平台架构如图1所示，平台由三部分组成：支持虚拟SIM卡技术的终端、用户管理中心和SIM云端服务提供商。

（1）虚拟SIM卡终端：支持虚拟SIM技术，能从云端下载虚拟SIM卡参数，可用虚拟SIM卡参数接入相应的网络。

（2）用户管理中心：目的是与终端虚拟SIM APP进行交互，提供用户管理，开启或终止用户使用虚拟SIM卡参数。

（3）虚拟SIM卡云端服务供应商：提供运营商参数IMSI、Ki等网络鉴权所必须的虚拟卡参数。本方案与二六三移动通信有限公司合作，开发支持虚拟卡技术的终端。

本方案的目的是设计实现支持虚拟SIM卡的终端，支持虚拟SIM卡技术的终端可以通过WiFi或者移动运营商网络请求从动态IMSI分配服务器下载虚拟SIM卡参数。参数包括国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）、鉴权密钥（Key identifier，Ki）等登录网络时用于用户身份认证的关键参数。

2 终端软件架构与设计

2.1 Android Telephony框架结构

Android Telephony[2]采用了分层结构的设计，共跨越了三层：Java Application（应用层）、Java Frameworks（框架层）和RIL（Radio Interface Layer，无线接口层）。Telephony结构与Android框架结构一致。Android Telephony的业务应用跨越了AP和BP。AP与BP相互通信是目前智能手机的基本硬件架构。Android系统在AP上运行，而Telephony运行在Linux Kernel之上的User Space空间。BP侧负责射频控制，包括信号调制、编码、射频移位等高度时间相关的操作。对于不同的安卓厂商，他们的AP侧允许相同，但是Modem侧可能会有差异。因此，Android在AP与Modem之间设计了RILC框架，不同的芯片厂商就可以将其协议连接到AP侧。本虚拟卡方案基于高通平台。对于高通平台来说，它的RILC就是QCRIL。

2.2 终端软件架构

虚拟SIM卡终端架构如图2所示，其软件架构与Android Telephony整体分层结构保持一致，包括应用层、框架层、无线通信接口层。

其中处于应用层的APP与框架层的service通信是基于Binder机制实现进程间通信，通过安卓接口描述语言（Android Interface Definition Language，AIDL）技术定义进程间通信接口。虚拟卡是在Frameworks中单独添加的一个服务，为了使其他的应用程序也可以访问本应用程序提供的服务，Android提供了AIDL来自动生成用于进程间通信的代码。RILJ与RILC的交互是基于rild端口的Socket连接，RILJ接收到Telephony Frameworks发出的请求后，通过Socket连接向RILC发起RIL请求。最后，高通平台通过高通消息接口（Qualcomm Messaging Interface，QMI）作为AP与Modem之间的通信接口。采用IDL_QCSI_QCCI的方式实现。QCCI（QMI Common Client Interface）封装客户端进行通信的C库，主要是注册client，用于发送和接收message。QCSI（QMI Common Service Interface）封装服务端进行通信的C库，提供服务注册，发送和接收message，根据消息ID查找回调函数实现消息响应。至此，从应用软件到Telephony Frameworks到RIL再到BP的Modem全线贯通，之后应用软件就可以处理相关通信业务了。

传统SIM卡是插在Modem中的，终端与SIM卡的交互必须要经过Modem。而虚拟卡相当于在模块侧虚拟了两个卡槽，虚拟卡槽和物理卡槽的连接是互斥的。当虚拟卡激活时，表示当前模块连接的是Softslot，此时模块无法上报物理卡槽slot信息。当无虚拟卡或者虚拟卡去激活时，模块连接到物理的slot上，此时可以通过接口获取物理slot的信息。当发生了物理卡和虚拟卡切换时，相当于发生了一次热插拔，模块将会将原有的卡信清除，并上报新的卡信息。

2.3 流程设计

虚拟SIM卡流程设计如图3所示。