Qu'est-ce qu'une carte SIM ?
Une carte SIM (Subscriber Identity Module) est une carte à circuit intégré utilisée dans les systèmes GSM pour identifier les utilisateurs mobiles. Elle permet aux réseaux GSM de reconnaître les abonnés, et la même carte SIM peut être utilisée sur différents téléphones. Sans carte SIM, un téléphone GSM ne peut pas se connecter au réseau.
En substance, une carte SIM représente l'identité légale d'un appareil mobile, tout comme une carte d'identité. Elle permet aux téléphones mobiles et autres appareils intelligents d'accéder au réseau de communication et aux services de l'opérateur.
À quoi servent les cartes SIM ?
Les cartes SIM peuvent être classées en fonction de leurs applications en cartes SIM classiques et cartes SIM IoT (Internet des objets).
- Les cartes SIM classiques sont utilisées par les particuliers pour passer des appels et accéder à des services Internet mobiles.
- Les cartes SIM IoT sont conçues pour la communication entre les appareils IoT. Ces cartes sont axées sur la transmission de données et ne peuvent pas être utilisées pour passer des appels téléphoniques.
Il existe deux types de cartes SIM IoT :
- Cartes SIM IoT standard : similaires aux cartes SIM classiques en termes de matériaux utilisés.
- Cartes SIM IoT industrielles (cartes MP) : fabriquées à partir de matériaux avancés tels que du plastique moulé par injection ou de la céramique, ces cartes sont plus résistantes et adaptées aux environnements difficiles, offrant une durée de vie prolongée.
Types de cartes SIM
Il existe trois types courants de cartes SIM :
- Mini-SIM (SIM standard) : 25 mm × 15 mm × 0,76 mm
- Micro-SIM : 15 mm × 12 mm × 0,76 mm
- Nano-SIM : 12,3 mm × 8,8 mm × 0,67 mm
Il existe également l'eSIM (Embedded SIM), qui est directement intégrée à la puce de l'appareil. Contrairement aux cartes SIM traditionnelles, l'eSIM n'a pas besoin d'être physiquement insérée ou retirée, offrant ainsi une véritable fonctionnalité sans carte. Les eSIM sont plus durables, résistantes à l'usure et peuvent mieux supporter des environnements extrêmes.
Structure matérielle des cartes SIM
Analyse structurelle
1. Microprocesseur (CPU)
Le CPU est le cœur de la carte SIM, chargé d'effectuer tous les calculs et opérations logiques, tels que l'exécution d'algorithmes de chiffrement et le traitement des données d'entrée/sortie.
2. Mémoire programme (ROM)
La ROM stocke les informations fixes sur la carte SIM, telles que le système d'exploitation et les applications préinstallées. Une fois écrites, les données ne peuvent plus être modifiées.
3. Mémoire vive (RAM)
La mémoire vive (RAM) stocke temporairement les données pendant les opérations complexes ou le traitement des tâches.
L'EEPROM est un espace mémoire réinscriptible qui stocke des informations dynamiques, telles que les entrées du répertoire téléphonique, les messages SMS et les clés d'authentification utilisateur. La capacité de cette mémoire est souvent indiquée par « xxxK » sur la carte. Par exemple, « 128K » signifie que la capacité de stockage de l'EEPROM est de 128 Ko.
5. Unité de communication série
Cette unité est le seul canal de communication entre la carte SIM et l'équipement mobile (ME), prenant en charge la communication série semi-duplex.
Broches électriques de la carte SIM
Les contacts d'une carte SIM suivent le protocole ISO 7816-2, défini comme suit :
| 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 plupart des cartes SIM ont huit contacts, mais au moins cinq doivent être connectés à l'appareil pour que la carte fonctionne correctement : VCC, GND, RST, CLK et I/O.
- C1 (VCC) : contact d'alimentation, avec des spécifications de 1,2 V, 1,8 V, 3 V ou 5 V. La plupart des cartes SIM modernes utilisent 1,8 V ou 3 V.
- C2 (RST) : contact du signal de réinitialisation.
- C3 (CLK) : contact du signal d'horloge, avec une plage de fréquence de 1 à 5 MHz, fourni par l'appareil terminal. Il doit rester dans une plage de ±10 % de la fréquence utilisée pendant la réponse de réinitialisation.
- C4 : Réservé.
- C5 (GND) : contact de masse.
- C6 (VPP) : contact de tension de programmation. Dans les cartes alimentées en 5 V, il sert de broche d'alimentation, mais dans les cartes 1,8 V et 3 V, il n'est généralement pas connecté.
- C7 (E/S) : seul canal de communication entre la carte SIM et le terminal, prenant en charge la communication semi-duplex avec les modes transmission et réception.
- C8 : Réservé.
Comment fonctionnent les cartes SIM ?
Schéma de la carte SIM
Comme le montre le schéma du circuit, la carte SIM utilise plusieurs signaux et composants clés pour détecter son insertion et assurer une communication correcte avec l'appareil :
Remarque :
- E/S : port de données bidirectionnel pour la communication.
- CLK : signal d'horloge (3,25 MHz) pour la synchronisation.
- RST : signal de réinitialisation, qui lance le processus de réinitialisation de la carte SIM.
- VCC : tension de fonctionnement, 1,8 V ou 3 V.
- VPP : Entrée de tension de programmation.
- USIM_Presence : broche de détection de carte, utilisée pour vérifier si une carte SIM est insérée.
Lorsque la carte SIM est insérée, la broche USIM_Presence est connectée au boîtier métallique de l'appareil, créant ainsi un signal basse tension. Lorsqu'aucune carte n'est insérée, la broche est mise à l'état haut par une résistance connectée à l'alimentation électrique.
Détection de la carte SIM et enregistrement sur le réseau (norme ISO7816)
Une fois la carte SIM insérée dans un appareil, le processus de détection commence :
- À l'instant T0, le CPU envoie le signal CLK pour établir la communication.
- Dans les 200 cycles d'horloge, la carte SIM règle son port E/S en mode réception.
- Le CPU maintient le signal RST à un niveau bas à T0.
- La carte SIM répond en réglant le port E/S sur un état bas après environ 400 à 40 000 cycles d'horloge.
Ce processus permet à l'appareil de reconnaître la carte SIM et d'établir la connectivité réseau.
Processus de mise sous tension et hors tension de la carte SIM
Processus de mise sous tension :
- Le signal RST (réinitialisation) est maintenu bas.
- La tension VCC (tension) est appliquée.
- Le port E/S est réglé en mode réception.
- Le VPP est appliqué.
- Un signal d'horloge stable (CLK) est fourni pour la synchronisation.
Processus de mise hors tension :
- Le signal RST est maintenu bas.
- Le signal d'horloge (CLK) est arrêté.
- Le VPP est désactivé.
- Le port E/S est mis à l'état bas.
- VCC est déconnecté.
Synchronisation de la carte SIM
La carte SIM fonctionne avec une fréquence d'horloge de 3,25 MHz. Son séquence opérationnelle comprend plusieurs étapes clés :
- Activation de la carte : la carte SIM est initialisée par le processeur de l'appareil, qui lance le signal d'horloge (CLK) et réinitialise la carte (RST).
- Réinitialisation à froid : elle se produit après l'insertion et la mise sous tension de la carte SIM.
- Réinitialisation à chaud : réinitialisation contrôlée par le système sans mise hors tension de la carte.
- Transmission des données : la carte envoie ses données en réponse aux signaux d'horloge, et cette communication est synchronisée avec l'appareil selon des intervalles de temps définis.
Communication entre les cartes SIM et les appareils
La communication entre une carte SIM et un appareil respecte à la fois la norme ISO 7816 et le protocole STK (SIM Application Toolkit). La communication eSIM, en particulier, utilise les commandes APDU telles que définies par la norme ISO 7816.
Protocole STK
STK (SIM Application Toolkit) est une norme définie par la GSM Association pour le développement et le déploiement d'applications sur les cartes SIM. Elle permet à la carte SIM d'interagir avec le téléphone mobile en envoyant des commandes, telles que l'affichage de menus, l'envoi de SMS ou le lancement d'appels.
Commandes APDU
L'APDU (Application Protocol Data Unit) est l'ensemble de commandes utilisé pour les opérations de données eSIM, notamment la lecture, la suppression, l'ajout, la mise à jour des données, la gestion des canaux logiques et la communication des capacités du terminal.
Méthode de communication
La communication entre une carte SIM et un appareil s'effectue par l'échange de commandes APDU et de données entre les systèmes d'exploitation des deux appareils, conformément aux normes ISO 7816 et STK.
- ISO 7816-3 : définit les signaux électriques et les protocoles de transmission, garantissant un échange de données sécurisé et fiable entre la carte SIM et l'appareil.
- ISO 7816-4 : spécifie les structures de commande et de données, détaillant la manière dont les commandes telles que la lecture et l'écriture de données ou la vérification des codes PIN sont exécutées sur la carte SIM.
Le protocole STK s'appuie sur les normes ISO 7816-3 et 7816-4, en ajoutant des commandes adaptées aux interactions entre la carte SIM et le téléphone, ce qui permet des opérations plus complexes et une communication fluide.
Données stockées sur les cartes SIM
Données statiques :
- ICCID : numéro de série unique attribué à la carte SIM.
- IMSI : identifiant international d'abonné mobile, utilisé pour identifier l'abonné au sein du réseau.
- Clé d'authentification (Ki) : fonctionne avec des algorithmes de cryptage (A3, A5, A8) pour la sécurité.
- Codes PIN/PUK : protègent la carte et permettent de la déverrouiller si nécessaire.
Données dynamiques :
- LAI : Location Area Identity (identifiant de zone de localisation), utilisé pour suivre la localisation du téléphone au sein du réseau.
- TMSI : identifiant temporaire pour une sécurité accrue.
- Contacts et SMS : données utilisateur stockées sur la carte SIM.
Processus d'authentification
- GSM (2G) : authentification unidirectionnelle, où le réseau vérifie l'identité de l'utilisateur.
- 3G et 4G : authentification bidirectionnelle, avec des algorithmes de sécurité et un stockage des clés améliorés.
- 5G : introduction d'un processus d'authentification plus sécurisé avec des composants supplémentaires tels que AMF/SEAF et UDM.
L'évolution des cartes SIM
eSIM :
Une avancée majeure : l'intégration directe de la carte SIM dans la puce de l'appareil. Cela élimine le besoin d'une carte physique tout en offrant les mêmes fonctionnalités.
Cartes SIM 5G Super :
En février 2021, une carte SIM Super SIM de 256 Go a été lancée. Cette innovation offre une capacité de stockage considérable, un accès haut débit aux données et un stockage sécurisé des données personnelles. Certifiée pour son haut niveau de sécurité, elle fait office à la fois de carte de stockage et de communication, permettant des transferts de données plus rapides tout en garantissant la sécurité des communications.
