O que é um cartão SIM?
Um cartão SIM (Subscriber Identity Module) é um cartão de circuito integrado utilizado em sistemas GSM para identificar utilizadores móveis. Permite que as redes GSM reconheçam os assinantes, e o mesmo cartão SIM pode ser utilizado em diferentes telemóveis. Sem um cartão SIM, um telemóvel GSM não consegue ligar-se à rede.
Em essência, um cartão SIM representa a identidade legal de um dispositivo móvel, muito semelhante a um cartão de identificação. Ele permite que telefones celulares e outros dispositivos inteligentes acessem a rede de comunicação e os serviços da operadora.
Para que servem os cartões SIM?
Os cartões SIM podem ser classificados com base nas suas aplicações em cartões SIM normais e cartões SIM IoT (Internet das Coisas).
- Os cartões SIM comuns são usados por consumidores individuais para atividades como fazer chamadas e acessar serviços de internet móvel.
- Os cartões SIM IoT são projetados para comunicação entre dispositivos IoT. Esses cartões se concentram na transmissão de dados e não podem ser usados para chamadas telefônicas.
Os cartões SIM IoT são de dois tipos:
- Cartões SIM IoT padrão: semelhantes ao material usado em cartões SIM comuns.
- Cartões SIM IoT industriais (cartões MP): Fabricados com materiais avançados, como plástico moldado por injeção ou cerâmica, esses cartões são mais duráveis e adequados para ambientes adversos, oferecendo vida útil prolongada.
Tipos de cartões SIM
Existem três tipos comuns de cartões SIM:
- Mini-SIM (SIM padrão): 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
Além disso, existe o eSIM (SIM incorporado), que é integrado diretamente no chip do dispositivo. Ao contrário dos cartões SIM tradicionais, o eSIM não precisa ser fisicamente inserido ou removido, oferecendo uma verdadeira funcionalidade sem cartão ao dispositivo. Os eSIMs são mais duráveis, resistentes ao desgaste e podem suportar melhor ambientes extremos.
Estrutura física dos cartões SIM
Análise da estrutura
1. Microprocessador (CPU)
A CPU é o núcleo do cartão SIM, responsável por realizar todos os cálculos e operações lógicas, tais como executar algoritmos de criptografia e processar dados de entrada/saída.
2. Memória de programa (ROM)
A ROM armazena as informações fixas no cartão SIM, como o sistema operacional e os aplicativos pré-instalados. Uma vez gravados, os dados não podem ser modificados.
3. Memória de trabalho (RAM)
A RAM armazena temporariamente dados durante operações complexas ou processamento de tarefas.
EEPROM é um espaço de memória regravável que armazena informações dinâmicas, como entradas da agenda telefônica, mensagens SMS e chaves de autenticação do usuário. A capacidade dessa memória é frequentemente indicada por "xxxK" no cartão. Por exemplo, "128K" significa que a capacidade de armazenamento da EEPROM é de 128 KB.
5. Unidade de comunicação serial
Esta unidade é o único canal de comunicação entre o cartão SIM e o equipamento móvel (ME), suportando comunicação serial half-duplex.
Pinos elétricos do cartão SIM
Os contatos em um cartão SIM seguem o protocolo ISO 7816-2, definido da seguinte forma:
| 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 |
A maioria dos cartões SIM tem oito contatos, mas pelo menos cinco devem estar conectados ao dispositivo para que o cartão funcione corretamente: VCC, GND, RST, CLK e I/O.
- C1 (VCC): Contato de alimentação, com especificações de 1,2 V, 1,8 V, 3 V ou 5 V. A maioria dos cartões SIM modernos usa 1,8 V ou 3 V.
- C2 (RST): Contato do sinal de reinicialização.
- C3 (CLK): Contato do sinal do relógio, com uma faixa de frequência de 1 a 5 MHz, fornecida pelo dispositivo terminal. Ele deve permanecer dentro de ±10% da frequência usada durante a resposta de reinicialização.
- C4: Reservado.
- C5 (GND): Contato de aterramento.
- C6 (VPP): Contato de tensão de programação. Em cartões alimentados por 5 V, ele serve como um pino de alimentação, mas em cartões de 1,8 V e 3 V, geralmente não é conectado.
- C7 (I/O): O único canal de comunicação entre o cartão SIM e o dispositivo terminal, suportando comunicação half-duplex com os modos de transmissão e recepção.
- C8: Reservado.
Como funcionam os cartões SIM?
Diagrama esquemático do cartão SIM
Como mostra o esquema do circuito, o cartão SIM utiliza vários sinais e componentes essenciais para detectar a inserção e garantir a comunicação adequada com o dispositivo:
Nota:
- I/O: Porta de dados bidirecional para comunicação.
- CLK: Sinal de clock (3,25 MHz) para sincronização.
- RST: Sinal de reinicialização, que inicia o processo de reinicialização do cartão SIM.
- VCC: Tensão de operação, 1,8 V ou 3 V.
- VPP: Entrada de tensão de programação.
- USIM_Presence: Pino de detecção do cartão, usado para verificar se um cartão SIM está inserido.
Quando o cartão SIM é inserido, o pino USIM_Presence é conectado ao invólucro metálico do dispositivo, criando um sinal de baixa tensão. Quando nenhum cartão está inserido, o pino é puxado para cima por um resistor conectado à fonte de alimentação.
Detecção do cartão SIM e registo na rede (norma ISO7816)
Assim que um cartão SIM é inserido em um dispositivo, o processo de detecção começa:
- No momento T0, a CPU envia o sinal CLK para estabelecer a comunicação.
- Em 200 ciclos de clock, o cartão SIM configura sua porta de E/S para o modo de recepção.
- A CPU mantém o sinal RST baixo em T0.
- O cartão SIM responde definindo a porta de E/S para um estado baixo após aproximadamente 400 a 40.000 ciclos de clock.
Esse processo permite que o dispositivo reconheça o cartão SIM e estabeleça a conectividade de rede.
Processo de ativação e desativação do cartão SIM
Processo de inicialização:
- O sinal RST (reinicialização) é mantido baixo.
- VCC (tensão) é aplicado.
- A porta de E/S é definida para um estado de recepção.
- VPP é aplicado.
- Um sinal de clock estável (CLK) é fornecido para sincronização.
Processo de desligamento:
- O sinal RST é mantido baixo.
- O sinal de relógio (CLK) é interrompido.
- O VPP é desligado.
- A porta de E/S é mantida baixa.
- O VCC é desconectado.
Tempo de duração do cartão SIM
O cartão SIM opera com uma frequência de clock de 3,25 MHz. Sua sequência operacional inclui várias etapas importantes:
- Ativação do cartão: O cartão SIM é inicializado pela CPU do dispositivo, que inicia o sinal do relógio (CLK) e reinicia o cartão (RST).
- Reinicialização a frio: ocorre após o cartão SIM ser inserido e ligado.
- Reinicialização a quente: uma reinicialização controlada pelo sistema sem desligar o cartão.
- Transmissão de dados: O cartão envia seus dados em resposta aos sinais de clock, e essa comunicação é sincronizada com o dispositivo por meio de intervalos de tempo definidos.
Comunicação entre cartões SIM e dispositivos
A comunicação entre um cartão SIM e um dispositivo segue tanto a norma ISO 7816 como o protocolo STK (SIM Application Toolkit). A comunicação eSIM, em particular, utiliza comandos APDU, tal como definido pela norma ISO 7816.
Protocolo STK
STK (SIM Application Toolkit) é um padrão definido pela GSM Association para o desenvolvimento e a implantação de aplicativos em cartões SIM. Ele permite que o cartão SIM interaja com o celular enviando comandos, como exibir menus, enviar mensagens SMS ou iniciar chamadas.
Comandos APDU
APDU (Unidade de Dados do Protocolo de Aplicação) é o conjunto de comandos utilizado para operações de dados eSIM, incluindo leitura, eliminação, adição, atualização de dados, gestão de canais lógicos e comunicação das capacidades do terminal.
Método de comunicação
A comunicação entre um cartão SIM e um dispositivo é realizada através da troca de comandos APDU e dados entre os sistemas operacionais de ambos os dispositivos, seguindo as normas ISO 7816 e STK.
- ISO 7816-3: Define os sinais elétricos e os protocolos de transmissão, garantindo uma troca de dados segura e confiável entre o cartão SIM e o dispositivo.
- ISO 7816-4: Especifica as estruturas de comando e dados, detalhando como comandos como leitura e gravação de dados ou verificação de PINs são executados no cartão SIM.
O protocolo STK se baseia nas normas ISO 7816-3 e 7816-4, adicionando comandos personalizados para interações entre o cartão SIM e o telefone, permitindo operações mais complexas e comunicação contínua.
Dados armazenados em cartões SIM
Dados estáticos:
- ICCID: Número de série exclusivo do cartão SIM.
- IMSI: Identidade Internacional do Assinante Móvel, usada para identificar o assinante dentro da rede.
- Chave de autenticação (Ki): funciona com algoritmos de criptografia (A3, A5, A8) para segurança.
- Códigos PIN/PUK: Protegem o cartão e permitem desbloqueá-lo quando necessário.
Dados dinâmicos:
- LAI: Identidade da área de localização, usada para rastrear a localização do telefone dentro da rede.
- TMSI: Identificador temporário para maior segurança.
- Contatos e SMS: Dados do usuário armazenados no SIM.
Processo de autenticação
- GSM (2G): Autenticação unidirecional, em que a rede verifica a identidade do usuário.
- 3G e 4G: Autenticação bidirecional, com algoritmos de segurança aprimorados e armazenamento de chaves.
- 5G: Introduz um processo de autenticação mais seguro com componentes adicionais, como AMF/SEAF e UDM.
Como ler o diagrama de contatos e a pilha do módulo SIM
O diagrama de um cartão SIM deve ser lido pela face dos contatos, usando o chanfro e o contorno para definir a orientação. As ilhas visíveis pertencem a um módulo laminado: o die UICC é fixado em um pequeno suporte, interligado à placa de contatos, encapsulado e incorporado ao corpo plástico. O formato da ilha não revela a classe de tensão nem interfaces opcionais. Na bancada, utilize um leitor compatível com limitação de corrente, capture alimentação, clock, reset e I/O em conjunto e valide a resposta ao reset antes dos comandos. O arranjo físico dos contatos não identifica o sistema de arquivos nem as credenciais do assinante.
C1eC5: são alimentação e terra; confirme a classe de tensão do cartão e do leitor antes de energizar.C2: o leitor controla o reset durante a ativação; não é um pino estático de alimentação.C3: o clock é fornecido pelo leitor e segue a temporização do protocolo.C7: a linha bidirecional transporta a resposta ao reset e as trocas APDU posteriores.C4,C6eC8: podem ter uso auxiliar, legado ou nenhum uso; confirme a especificação UICC aplicável.
A evolução dos cartões SIM
eSIM:
Um grande avanço, incorporando o SIM diretamente no chip do dispositivo. Isso elimina a necessidade de um cartão físico, ao mesmo tempo em que oferece a mesma funcionalidade.
5G Super SIM Cards:
Em fevereiro de 2021, foi lançado um cartão Super SIM de 256 GB. Essa inovação oferece enorme capacidade de armazenamento, acesso rápido a dados e armazenamento seguro para dados pessoais. Certificado para alta segurança, ele funciona como um cartão combinado de armazenamento e comunicação, permitindo transferências de dados mais rápidas e mantendo a segurança das comunicações.
