Cos'è una SIM Card?
Una SIM (Subscriber Identity Module) card è una scheda a circuito integrato utilizzata nei sistemi GSM per identificare gli utenti mobili. Permette alle reti GSM di riconoscere gli abbonati e la stessa SIM card può essere utilizzata con diversi telefoni. Senza una SIM card, un telefono GSM non può connettersi alla rete.
In sostanza, una SIM card rappresenta l’identità legale di un dispositivo mobile, proprio come un documento d’identità. Permette a telefoni cellulari e altri dispositivi intelligenti di accedere alla rete di comunicazione e ai servizi del gestore.
A cosa servono le SIM Card?
Le SIM card possono essere classificate in base alle loro applicazioni in SIM card standard e SIM card IoT (Internet of Things).
- SIM Card standard sono utilizzate dai consumatori individuali per attività come effettuare chiamate e accedere ai servizi di internet mobile.
- SIM Card IoT sono progettate per la comunicazione tra dispositivi IoT. Queste schede si concentrano sulla trasmissione dei dati e non possono essere utilizzate per effettuare chiamate.
Le SIM card IoT sono di due tipi:
- SIM Card IoT standard: Simili al materiale utilizzato nelle SIM card standard.
- SIM Card IoT industriali (MP Cards): Realizzate con materiali avanzati come plastica stampata a iniezione o ceramica, queste schede sono più resistenti e adatte ad ambienti difficili, offrendo una maggiore durata.
Tipi di SIM Card
Ci sono tre tipi comuni di SIM card:
- Mini-SIM (SIM standard): 25mm × 15mm × 0.76mm
- Micro-SIM: 15mm × 12mm × 0.76mm
- Nano-SIM: 12.3mm × 8.8mm × 0.67mm
Inoltre, c’è la eSIM (Embedded SIM), che è integrata direttamente nel chip del dispositivo. A differenza delle SIM card tradizionali, la eSIM non deve essere inserita o rimossa fisicamente, offrendo una vera funzionalità card-free del dispositivo. Le eSIM sono più resistenti, resistenti all’usura e possono resistere meglio ad ambienti estremi.
Struttura hardware delle SIM Card
Analisi della struttura
1. Microprocessore (CPU)
La CPU è il cuore della SIM card, responsabile dell’esecuzione di tutti i calcoli e le operazioni logiche, come l’esecuzione di algoritmi di crittografia e l’elaborazione dei dati di input/output.
2. Memoria di programma (ROM)
La ROM memorizza le informazioni fisse sulla SIM card, come il sistema operativo e le applicazioni preinstallate. Una volta scritte, i dati non possono essere modificati.
3. Memoria di lavoro (RAM)
La RAM memorizza temporaneamente i dati durante operazioni complesse o l’elaborazione di attività.
La EEPROM è uno spazio di memoria riscrivibile che memorizza informazioni dinamiche, come voci della rubrica, messaggi SMS e chiavi di autenticazione dell’utente. La capacità di questa memoria è spesso indicata da “xxxK” sulla scheda. Ad esempio, “128K” significa che la capacità di archiviazione EEPROM è di 128KB.
5. Unità di comunicazione seriale
Questa unità è l’unico canale di comunicazione tra la SIM e l’apparecchiatura mobile (ME), che supporta la comunicazione seriale half-duplex.
Pin elettrici della SIM
I contatti su una SIM seguono il protocollo ISO 7816-2, definito come segue:
| 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 maggior parte delle SIM ha otto contatti, ma almeno cinque devono essere collegati al dispositivo affinché la scheda funzioni correttamente: VCC, GND, RST, CLK e I/O.
- C1 (VCC): Contatto di alimentazione, con specifiche di 1,2V, 1,8V, 3V o 5V. La maggior parte delle SIM moderne utilizza 1,8V o 3V.
- C2 (RST): Contatto del segnale di reset.
- C3 (CLK): Contatto del segnale di clock, con un intervallo di frequenza di 1–5 MHz, fornito dal dispositivo terminale. Deve rimanere entro ±10% della frequenza utilizzata durante la risposta di reset.
- C4: Riservato.
- C5 (GND): Contatto di massa.
- C6 (VPP): Contatto di tensione di programmazione. Nelle schede alimentate a 5V, funge da pin di alimentazione, ma nelle schede da 1,8V e 3V, di solito non è collegato.
- C7 (I/O): L’unico canale di comunicazione tra la SIM e il dispositivo terminale, che supporta la comunicazione half-duplex sia in modalità di trasmissione che di ricezione.
- C8: Riservato.
Come funzionano le SIM?
Schema della SIM
Come mostra lo schema del circuito, la SIM utilizza diversi segnali e componenti chiave per rilevare l’inserimento e garantire una corretta comunicazione con il dispositivo:
Nota:
- I/O: Porta dati bidirezionale per la comunicazione.
- CLK: Segnale di clock (3,25 MHz) per la sincronizzazione.
- RST: Segnale di reset, che avvia il processo di reset della SIM.
- VCC: Tensione di funzionamento, 1,8V o 3V.
- VPP: Ingresso di tensione di programmazione.
- USIM_Presence: Pin di rilevamento della scheda, utilizzato per verificare se è inserita una SIM.
Quando la SIM viene inserita, il pin USIM_Presence viene collegato al telaio metallico del dispositivo, creando un segnale a bassa tensione. Quando nessuna scheda è inserita, il pin viene tirato verso l’alto da una resistenza collegata all’alimentazione.
Rilevamento SIM e registrazione di rete (Standard ISO7816)
Una volta inserita una SIM in un dispositivo, inizia il processo di rilevamento:
- Al tempo T0, la CPU invia il segnale CLK per stabilire la comunicazione.
- Entro 200 cicli di clock, la SIM imposta la sua porta I/O in modalità di ricezione.
- La CPU mantiene il segnale RST basso a T0.
- La SIM risponde impostando la porta I/O a uno stato basso dopo circa 400–40.000 cicli di clock.
Questo processo consente al dispositivo di riconoscere la SIM e stabilire la connettività di rete.
Processo di accensione e spegnimento della SIM
Processo di accensione:
- Il segnale RST (reset) è mantenuto basso.
- VCC (tensione) viene applicata.
- La porta I/O è impostata su uno stato di ricezione.
- VPP viene applicata.
- Viene fornito un segnale di clock stabile (CLK) per la sincronizzazione.
Processo di spegnimento:
- Il segnale RST è mantenuto basso.
- Il segnale di clock (CLK) viene interrotto.
- VPP viene spenta.
- La porta I/O viene pilotata a livello basso.
- VCC viene disconnessa.
Tempistiche della SIM Card
La SIM card opera con una frequenza di clock di 3,25 MHz. La sua sequenza operativa include diversi passaggi chiave:
- Attivazione della scheda: La SIM card è inizializzata dalla CPU del dispositivo, che avvia il segnale di clock (CLK) e reimposta la scheda (RST).
- Reset a freddo: Si verifica dopo che la SIM card è stata inserita e alimentata.
- Reset a caldo: Un reset controllato dal sistema senza spegnere la scheda.
- Trasmissione dati: La scheda invia i suoi dati in risposta ai segnali di clock e questa comunicazione è sincronizzata con il dispositivo tramite intervalli di tempo definiti.
Comunicazione tra SIM Card e Dispositivi
La comunicazione tra una SIM card e un dispositivo segue sia lo standard ISO 7816 che il protocollo STK (SIM Application Toolkit). La comunicazione eSIM, in particolare, utilizza i comandi APDU come definiti da ISO 7816.
Protocollo STK
STK (SIM Application Toolkit) è uno standard definito dalla GSM Association per lo sviluppo e la distribuzione di applicazioni sulle SIM card. Permette alla SIM card di interagire con il telefono cellulare inviando comandi, come la visualizzazione di menu, l’invio di messaggi SMS o l’avvio di chiamate.
Comandi APDU
APDU (Application Protocol Data Unit) è il set di comandi utilizzato per le operazioni dati eSIM, inclusa la lettura, l’eliminazione, l’aggiunta, l’aggiornamento dei dati, la gestione dei canali logici e la segnalazione delle capacità del terminale.
Metodo di comunicazione
La comunicazione tra una SIM card e un dispositivo viene effettuata scambiando comandi e dati APDU tra i sistemi operativi di entrambi i dispositivi, seguendo gli standard di protocollo ISO 7816 e STK.
- ISO 7816-3: Definisce i segnali elettrici e i protocolli di trasmissione, garantendo uno scambio di dati sicuro e affidabile tra la SIM card e il dispositivo.
- ISO 7816-4: Specifica le strutture di comando e dati, dettagliando come vengono eseguiti comandi come la lettura e la scrittura di dati o la verifica dei PIN sulla SIM card.
Il protocollo STK si basa su ISO 7816-3 e 7816-4, aggiungendo comandi su misura per le interazioni tra la SIM card e il telefono, consentendo operazioni più complesse e una comunicazione senza soluzione di continuità.
Dati memorizzati sulle SIM Card
Dati statici:
- ICCID: Numero di serie univoco per la SIM card.
- IMSI: International Mobile Subscriber Identity, utilizzato per identificare l’abbonato all’interno della rete.
- Chiave di autenticazione (Ki): Funziona con algoritmi di crittografia (A3, A5, A8) per la sicurezza.
- Codici PIN/PUK: Proteggono la scheda e consentono lo sblocco quando necessario.
Dati dinamici:
- LAI: Identità dell’area di localizzazione, utilizzata per tracciare la posizione del telefono all’interno della rete.
- TMSI: Identificatore temporaneo per una maggiore sicurezza.
- Contatti e SMS: Dati utente memorizzati sulla SIM.
Processo di autenticazione
- GSM (2G): Autenticazione unidirezionale, in cui la rete verifica l’identità dell’utente.
- 3G & 4G: Autenticazione bidirezionale, con algoritmi di sicurezza migliorati e archiviazione delle chiavi.
- 5G: Introduce un processo di autenticazione più sicuro con componenti aggiuntivi come AMF/SEAF e UDM.
L'evoluzione delle schede SIM
eSIM:
Un importante passo avanti, che incorpora la SIM direttamente nel chip del dispositivo. Ciò elimina la necessità di una scheda fisica fornendo la stessa funzionalità.
Schede SIM Super 5G:
Nel febbraio 2021 è stata introdotta una scheda Super SIM da 256 GB. Questa innovazione offre un’enorme capacità di archiviazione, accesso ai dati ad alta velocità e archiviazione sicura dei dati personali. Certificata per un’elevata sicurezza, funge da scheda di archiviazione e comunicazione combinata, consentendo trasferimenti di dati più rapidi mantenendo comunicazioni sicure.
