Что такое SIM-карта?
SIM-карта (Subscriber Identity Module) — это карта с интегральной схемой, используемая в системах GSM для идентификации мобильных пользователей. Она позволяет сетям GSM распознавать абонентов, и одна и та же SIM-карта может использоваться в разных телефонах. Без SIM-карты телефон GSM не может подключиться к сети.
По сути, SIM-карта представляет собой юридическую идентичность мобильного устройства, подобно удостоверению личности. Она позволяет мобильным телефонам и другим интеллектуальным устройствам получать доступ к сети связи и услугам оператора.
Для чего используются SIM-карты?
SIM-карты можно классифицировать по их применению на обычные SIM-карты и SIM-карты IoT (Интернет вещей).
- Обычные SIM-карты используются индивидуальными потребителями для таких действий, как совершение звонков и доступ к мобильным интернет-услугам.
- SIM-карты IoT предназначены для связи между устройствами IoT. Эти карты ориентированы на передачу данных и не могут использоваться для телефонных звонков.
SIM-карты для IoT бывают двух типов:
- Стандартные SIM-карты для IoT: изготовлены из материалов, аналогичных тем, что используются в обычных SIM-картах.
- Промышленные SIM-карты для IoT (карты MP): изготовлены из современных материалов, таких как литой пластик или керамика, эти карты более прочные и подходят для использования в суровых условиях, а также имеют более длительный срок службы.
Типы SIM-карт
Существует три распространенных типа SIM-карт:
- Mini-SIM (стандартная SIM-карта): 25 мм × 15 мм × 0,76 мм
- Micro-SIM: 15 мм × 12 мм × 0,76 мм
- Nano-SIM: 12,3 мм × 8,8 мм × 0,67 мм
Кроме того, существует eSIM (встроенная SIM-карта), которая интегрирована непосредственно в чип устройства. В отличие от традиционных SIM-карт, eSIM не нужно физически вставлять или извлекать, что обеспечивает настоящую функциональность устройства без использования карт. eSIM более долговечны, устойчивы к износу и лучше выдерживают экстремальные условия эксплуатации.
Аппаратная структура SIM-карт
Анализ структуры
1. Микропроцессор (CPU)
ЦП является ядром SIM-карты, отвечающим за выполнение всех вычислений и логических операций, таких как выполнение алгоритмов шифрования и обработка входных/выходных данных.
2. Программная память (ПЗУ)
ROM хранит фиксированную информацию на SIM-карте, такую как операционная система и предустановленные приложения. После записи данные не могут быть изменены.
3. Рабочая память (RAM)
RAM временно хранит данные во время сложных операций или обработки задач.
EEPROM — это перезаписываемое пространство памяти, в котором хранится динамическая информация, такая как записи телефонной книги, SMS-сообщения и ключи аутентификации пользователей. Емкость этой памяти часто обозначается на карте как «xxxK». Например, «128K» означает, что емкость EEPROM составляет 128 КБ.
5. Устройство последовательной связи
Это устройство является единственным каналом связи между SIM-картой и мобильным оборудованием (ME), поддерживающим полудуплексную последовательную связь.
Контакты SIM-карты
Контакты на SIM-карте соответствуют протоколу ISO 7816-2, который определяется следующим образом:
| 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 |
Большинство SIM-карт имеют восемь контактов, но для правильной работы карты необходимо подключить к устройству не менее пяти из них: VCC, GND, RST, CLK и I/O.
- C1 (VCC): контакт питания с характеристиками 1,2 В, 1,8 В, 3 В или 5 В. Большинство современных SIM-карт используют 1,8 В или 3 В.
- C2 (RST): контакт сигнала сброса.
- C3 (CLK): контакт тактового сигнала с диапазоном частот 1–5 МГц, обеспечиваемый оконечным устройством. Он должен оставаться в пределах ±10% от частоты, используемой во время сброса.
- C4: Зарезервирован.
- C5 (GND): Контакт заземления.
- C6 (VPP): контакт программируемого напряжения. В картах с питанием 5 В он служит в качестве контакта питания, но в картах 1,8 В и 3 В обычно не подключается.
- C7 (I/O): единственный канал связи между SIM-картой и оконечным устройством, поддерживающий полудуплексную связь с режимами передачи и приема.
- C8: Зарезервировано.
Как работают SIM-карты?
Схематическая диаграмма SIM-карты
Как показано на схеме, SIM-карта использует несколько ключевых сигналов и компонентов для обнаружения вставки и обеспечения надлежащей связи с устройством:
Примечание:
- I/O: двунаправленный порт данных для связи.
- CLK: тактовый сигнал (3,25 МГц) для синхронизации.
- RST: сигнал сброса, который инициирует процесс сброса SIM-карты.
- VCC: Рабочее напряжение, 1,8 В или 3 В.
- VPP: вход напряжения программирования.
- USIM_Presence: вывод для обнаружения карты, используемый для проверки наличия SIM-карты.
Когда SIM-карта вставлена, контакт USIM_Presence подключается к металлическому корпусу устройства, создавая сигнал низкого напряжения. Когда карта не вставлена, контакт подтягивается до высокого уровня резистором, подключенным к источнику питания.
Обнаружение SIM-карты и регистрация в сети (стандарт ISO7816)
После вставки SIM-карты в устройство начинается процесс обнаружения:
- В момент времени T0 процессор посылает сигнал CLK для установления связи.
- В течение 200 тактов SIM-карта переводит свой порт ввода-вывода в режим приема.
- CPU удерживает сигнал RST в низком состоянии в момент T0.
- SIM-карта отвечает, устанавливая порт ввода-вывода в низкое состояние примерно через 400–40 000 тактов.
Этот процесс позволяет устройству распознать SIM-карту и установить сетевое соединение.
Процесс включения и выключения SIM-карты
Процесс включения питания:
- Сигнал RST (сброс) удерживается в низком состоянии.
- Прикладывается напряжение VCC (напряжение).
- Порт ввода-вывода устанавливается в состояние приема.
- Прикладывается VPP.
- Для синхронизации подается стабильный тактовый сигнал (CLK).
Процесс отключения питания:
- Сигнал RST удерживается в низком состоянии.
- Тактовый сигнал (CLK) останавливается.
- VPP отключается.
- Порт ввода-вывода переводится в низкое состояние.
- VCC отключается.
Синхронизация SIM-карты
SIM-карта работает с тактовой частотой 3,25 МГц. Ее рабочая последовательность включает несколько ключевых этапов:
- Активация карты: SIM-карта инициализируется процессором устройства, который запускает тактовый сигнал (CLK) и сбрасывает карту (RST).
- Холодный сброс: происходит после вставки SIM-карты и включения питания.
- Теплая перезагрузка: перезагрузка, управляемая системой, без отключения питания карты.
- Передача данных: карта отправляет свои данные в ответ на тактовые сигналы, и эта коммуникация синхронизируется с устройством через определенные временные интервалы.
Связь между SIM-картами и устройствами
Связь между SIM-картой и устройством осуществляется в соответствии со стандартом ISO 7816 и протоколом STK (SIM Application Toolkit). В частности, для связи eSIM используются команды APDU, определенные стандартом ISO 7816.
Протокол STK
STK (SIM Application Toolkit) — это стандарт, определенный GSM Association для разработки и развертывания приложений на SIM-картах. Он позволяет SIM-карте взаимодействовать с мобильным телефоном, отправляя команды, такие как отображение меню, отправка SMS-сообщений или инициирование вызовов.
Команды APDU
APDU (Application Protocol Data Unit) — это набор команд, используемый для операций с данными eSIM, включая чтение, удаление, добавление, обновление данных, управление логическими каналами и отчетность о возможностях терминала.
Метод связи
Связь между SIM-картой и устройством осуществляется путем обмена командами APDU и данными между операционными системами обоих устройств в соответствии со стандартами ISO 7816 и протоколом STK.
- ISO 7816-3: определяет электрические сигналы и протоколы передачи, обеспечивая безопасный и надежный обмен данными между SIM-картой и устройством.
- ISO 7816-4: определяет структуры команд и данных, подробно описывая, как такие команды, как чтение и запись данных или проверка PIN-кодов, выполняются на SIM-карте.
Протокол STK основан на стандартах ISO 7816-3 и 7816-4, добавляя команды, адаптированные для взаимодействия между SIM-картой и телефоном, что позволяет выполнять более сложные операции и обеспечивает бесперебойную связь.
Данные, хранящиеся на SIM-картах
Статические данные:
- ICCID: уникальный серийный номер SIM-карты.
- IMSI: международный идентификатор мобильного абонента, используемый для идентификации абонента в сети.
- Ключ аутентификации (Ki): работает с алгоритмами шифрования (A3, A5, A8) для обеспечения безопасности.
- Коды PIN/PUK: защищают карту и позволяют разблокировать ее в случае необходимости.
Динамические данные:
- LAI: Идентификатор зоны местоположения, используемый для отслеживания местоположения телефона в сети.
- TMSI: временный идентификатор для дополнительной безопасности.
- Контакты и SMS: пользовательские данные, хранящиеся на SIM-карте.
Процесс аутентификации
- GSM (2G): односторонняя аутентификация, при которой сеть проверяет личность пользователя.
- 3G и 4G: двусторонняя аутентификация с улучшенными алгоритмами безопасности и хранением ключей.
- 5G: Внедрение более безопасного процесса аутентификации с дополнительными компонентами, такими как AMF/SEAF и UDM.
Эволюция SIM-карт
eSIM:
Важное усовершенствование, заключающееся в встраивании SIM-карты непосредственно в чип устройства. Это устраняет необходимость в физической карте, обеспечивая при этом ту же функциональность.
5G Super SIM-карты:
В феврале 2021 года была представлена Super SIM-карта объемом 256 ГБ. Это нововведение обеспечивает огромную емкость хранения, высокоскоростной доступ к данным и безопасное хранение личных данных. Сертифицированная на высокий уровень безопасности, она действует как комбинированная карта хранения и связи, обеспечивая более быструю передачу данных при сохранении безопасности связи.
