Qué es una tarjeta SIM?
Una tarjeta SIM (Módulo de Identidad del Suscriptor) es una tarjeta de circuito integrado utilizada en los sistemas GSM para identificar a los usuarios móviles. Permite que las redes GSM reconozcan a los suscriptores, y la misma tarjeta SIM se puede utilizar en diferentes teléfonos. Sin una tarjeta SIM, un teléfono GSM no puede conectarse a la red.
En esencia, una tarjeta SIM representa la identidad legal de un dispositivo móvil, al igual que una tarjeta de identificación. Permite que los teléfonos móviles y otros dispositivos inteligentes accedan a la red de comunicación y los servicios del operador.
¿Para qué se utilizan las tarjetas SIM?
Las tarjetas SIM se pueden clasificar según sus aplicaciones en tarjetas SIM regulares y tarjetas SIM para IoT (Internet de las Cosas).
- Tarjetas SIM regulares se utilizan para consumidores individuales para actividades como realizar llamadas y acceder a servicios de internet móvil.
- Tarjetas SIM para IoT están diseñadas para la comunicación entre dispositivos IoT. Estas tarjetas se centran en la transmisión de datos y no se pueden utilizar para llamadas telefónicas.
Las tarjetas SIM para IoT vienen en dos tipos:
- Tarjetas SIM IoT estándar: Similares al material utilizado en las tarjetas SIM regulares.
- Tarjetas SIM IoT industriales (tarjetas MP): Fabricadas con materiales avanzados como plástico moldeado por inyección o cerámica, estas tarjetas son más duraderas y adecuadas para entornos hostiles, ofreciendo una vida útil prolongada.
Tipos de tarjetas SIM
Existen tres tipos comunes de tarjetas SIM:
- Mini-SIM (SIM estándar): 25mm × 15mm × 0.76mm
- Micro-SIM: 15mm × 12mm × 0.76mm
- Nano-SIM: 12.3mm × 8.8mm × 0.67mm
Además, existe la eSIM (SIM integrada), que está integrada directamente en el chip del dispositivo. A diferencia de las tarjetas SIM tradicionales, la eSIM no necesita ser insertada o retirada físicamente, ofreciendo una funcionalidad verdaderamente sin tarjeta. Las eSIM son más duraderas, resistentes al desgaste y pueden soportar mejor entornos extremos.
Estructura de Hardware de las Tarjetas SIM
Análisis de Estructura
1. Microprocesador (CPU)
La CPU es el núcleo de la tarjeta SIM, responsable de realizar todas las operaciones de cálculo y lógica, como la ejecución de algoritmos de cifrado y el procesamiento de datos de entrada/salida.
2. Memoria de Programa (ROM)
La ROM almacena la información fija en la tarjeta SIM, como el sistema operativo y las aplicaciones preinstaladas. Una vez escrita, los datos no se pueden modificar.
3. Memoria de Trabajo (RAM)
La RAM almacena temporalmente los datos durante las operaciones complejas o el procesamiento de tareas.
EEPROM es un espacio de memoria reescritible que almacena información dinámica, como entradas de directorio telefónico, mensajes SMS y claves de autenticación de usuario. La capacidad de esta memoria se indica a menudo mediante «xxxK» en la tarjeta. Por ejemplo, «128K» significa que la capacidad de almacenamiento EEPROM es de 128KB.
5. Unidad de Comunicación Serial
Esta unidad es el único canal de comunicación entre la tarjeta SIM y el equipo móvil (ME), que admite comunicación serial de semi-duplex.
Pines Eléctricos de la Tarjeta SIM
Los contactos en una tarjeta SIM siguen el protocolo ISO 7816-2, definido como sigue:
| Contact | Description |
|---|---|
| C1 | Power Supply (VCC) |
| C2 | Reset (RST) |
| C3 | Clock (CLK) |
| C4 | Reserved |
| C5 | Ground (GND) |
| C6 | Programming Voltage (VPP) |
| C7 | Input/Output (I/O) |
| C8 | Reserved |
La mayoría de las tarjetas SIM tienen ocho contactos, pero al menos cinco deben estar conectados al dispositivo para que la tarjeta funcione correctamente: VCC, GND, RST, CLK e I/O.
- C1 (VCC): Contacto de alimentación, con especificaciones de 1.2V, 1.8V, 3V o 5V. La mayoría de las tarjetas SIM modernas utilizan 1.8V o 3V.
- C2 (RST): Contacto de señal de reinicio.
- C3 (CLK): Contacto de señal de reloj, con un rango de frecuencia de 1–5 MHz, proporcionado por el dispositivo terminal. Debe permanecer dentro de ±10% de la frecuencia utilizada durante la respuesta de reinicio.
- C4: Reservado.
- C5 (GND): Contacto de tierra.
- C6 (VPP): Contacto de voltaje de programación. En tarjetas alimentadas por 5V, sirve como pin de alimentación, pero en tarjetas de 1.8V y 3V, normalmente no está conectado.
- C7 (I/O): El único canal de comunicación entre la tarjeta SIM y el dispositivo terminal, que admite comunicación de semi-duplex con modos de transmisión y recepción.
- C8: Reservado.
¿Cómo funcionan las tarjetas SIM?
Diagrama esquemático de la tarjeta SIM
Como muestra el esquema del circuito, la tarjeta SIM utiliza varias señales y componentes clave para detectar la inserción y garantizar una comunicación adecuada con el dispositivo.
Nota:
- I/O: Puerto de datos bidireccional para la comunicación.
- CLK: Señal de reloj (3.25 MHz) para la sincronización.
- RST: Señal de reinicio, que inicia el proceso de reinicio de la tarjeta SIM.
- VCC: Voltaje de funcionamiento, 1.8V o 3V.
- VPP: Entrada de voltaje de programación.
- USIM_Presence: Pica de detección de tarjeta, utilizada para verificar si una tarjeta SIM está insertada.
Cuando se inserta la tarjeta SIM, la pica USIM_Presence se conecta a la carcasa metálica del dispositivo, creando una señal de bajo voltaje. Cuando no se inserta ninguna tarjeta, la pica se mantiene alta por un resistor conectado a la fuente de alimentación.
Detección de Tarjeta SIM y Registro en la Red (Estándar ISO7816)
Una vez que se inserta una tarjeta SIM en un dispositivo, comienza el proceso de detección:
- En el tiempo T0, la CPU envía la señal CLK para establecer la comunicación.
- Dentro de 200 ciclos de reloj, la tarjeta SIM establece su puerto I/O en modo de recepción.
- La CPU mantiene la señal RST baja en T0.
- La tarjeta SIM responde estableciendo el puerto I/O en un estado bajo después de aproximadamente 400 a 40,000 ciclos de reloj.
Este proceso permite que el dispositivo reconozca la tarjeta SIM y establezca la conectividad a la red.
Proceso de Encendido y Apagado de la Tarjeta SIM
Proceso de Activación:
- La señal RST (reset) se mantiene baja.
- Se aplica VCC (voltaje).
- El puerto de E/S se establece en un estado de recepción.
- Se aplica VPP.
- Se proporciona una señal de reloj estable (CLK) para la sincronización.
Proceso de Desactivación:
- La señal RST se mantiene baja.
- Se detiene la señal de reloj (CLK).
- Se apaga VPP.
- El puerto de E/S se activa a bajo.
- Se desconecta VCC.
Temporización de la Tarjeta SIM
La tarjeta SIM opera con una frecuencia de reloj de 3.25 MHz. Su secuencia operativa incluye varios pasos clave:
- Activación de la Tarjeta: La tarjeta SIM se inicializa mediante el CPU del dispositivo, que inicia la señal de reloj (CLK) y reinicia la tarjeta (RST).
- Reinicio en frío: Ocurre después de que la tarjeta SIM se inserta y se enciende.
- Reinicio en caliente: Un reinicio controlado por el sistema sin apagar la tarjeta.
- Transmisión de Datos: La tarjeta envía sus datos en respuesta a las señales de reloj, y esta comunicación se sincroniza con el dispositivo a través de intervalos de tiempo definidos.
Comunicación entre Tarjetas SIM y Dispositivos
La comunicación entre una tarjeta SIM y un dispositivo sigue tanto la norma ISO 7816 como el protocolo STK (SIM Application Toolkit). La comunicación eSIM, en particular, utiliza comandos APDU según lo definido por ISO 7816.
Protocolo STK
STK (SIM Application Toolkit) es un estándar definido por la GSM Association para el desarrollo e implementación de aplicaciones en tarjetas SIM. Permite que la tarjeta SIM interactúe con el teléfono móvil enviando comandos, como mostrar menús, enviar mensajes SMS o iniciar llamadas.
Comandos APDU
APDU (Unidad de Datos del Protocolo de Aplicación) es el conjunto de comandos utilizado para las operaciones de datos eSIM, incluyendo la lectura, eliminación, adición, actualización de datos, gestión de canales lógicos e informes de capacidades terminales.
Método de Comunicación
La comunicación entre una tarjeta SIM y un dispositivo se realiza mediante el intercambio de comandos y datos APDU entre los sistemas operativos de ambos dispositivos, siguiendo los estándares de protocolo ISO 7816 y STK.
- ISO 7816-3: Define las señales eléctricas y los protocolos de transmisión, asegurando un intercambio de datos seguro y fiable entre la tarjeta SIM y el dispositivo.
- ISO 7816-4: Especifica las estructuras de comandos y datos, detallando cómo se ejecutan comandos como la lectura y escritura de datos o la verificación de PIN en la tarjeta SIM.
El protocolo STK se basa en ISO 7816-3 y 7816-4, añadiendo comandos adaptados para las interacciones entre la tarjeta SIM y el teléfono, lo que permite operaciones más complejas y una comunicación fluida.
Datos Almacenados en Tarjetas SIM
Datos Estáticos:
- ICCID: Número de serie único para la tarjeta SIM.
- IMSI: Identidad del Suscriptor Móvil Internacional, utilizada para identificar al suscriptor dentro de la red.
- Clave de Autenticación (Ki): Funciona con algoritmos de cifrado (A3, A5, A8) para la seguridad.
- Códigos PIN/PUK: Protegen la tarjeta y permiten desbloquearla cuando sea necesario.
Dynamic Data:
- LAI: Identidad de Área de Ubicación, utilizada para rastrear la ubicación del teléfono dentro de la red.
- TMSI: Identificador temporal para mayor seguridad.
- Contactos y SMS: Datos del usuario almacenados en la SIM.
Authentication Process
- GSM (2G): Autenticación de un solo sentido, donde la red verifica la identidad del usuario.
- 3G & 4G: Autenticación de doble sentido, con algoritmos de seguridad mejorados y almacenamiento de claves.
- 5G: Introduce un proceso de autenticación más seguro con componentes adicionales como AMF/SEAF y UDM.
The Evolution of SIM Cards
eSIM:
Un avance importante, que incorpora la SIM directamente en el chip del dispositivo. Esto elimina la necesidad de una tarjeta física al tiempo que proporciona la misma funcionalidad.
5G Super SIM Cards:
En febrero de 2021, se introdujo una tarjeta Super SIM de 256 GB. Esta innovación ofrece una enorme capacidad de almacenamiento, acceso a datos de alta velocidad y almacenamiento seguro para datos personales. Certificada para alta seguridad, actúa como una tarjeta combinada de almacenamiento y comunicación, lo que permite transferencias de datos más rápidas al tiempo que se mantienen comunicaciones seguras.
