SIM卡结构及上电流程详解

1. sim卡概述

1.1 什么是SIM卡

SIM卡是（Subscriber Identity Module客户识别模块）的缩写，也成为用户身份识别卡，移动无线终端必须安装上此卡才能使用。SIM卡是整个GSM系统中唯一确认用户身份的设备，它是向网络标明用户合法身份的重要工具。

1.2 Sim卡的作用

• SIM卡是完全由运营商掌握的用户端设备，通过对SIM卡的控制，实现对终端功能的控制。
• SIM卡是手机终端功能的增强和补充，提升手机终端业务能力，降低在业务推广上的终端设备投入成本；
• SIM卡可以通过预置或OTA方式部署应用，满足日益增长的行业应用需求；

2. Sim卡的主要功能

2.1存储数据

SIM卡存储的数据可分为四类：

• 固定数据----这类数据在ME（Mobile Equipment）被出售之前由SIM卡中心写入，包括国际移动用户识别号（IMSI）、鉴权密钥（KI）等；
• 临时数据----指的是网络相关的的临时数据，如位置区域识别码（LAI）、移动用户暂时识别码（TMSI）、禁止接入的公共电话网代码等；
• 业务代码----如个人识别码（PIN）、解锁码（PUK）、计费费率等；
• 电话号码、短消息等用户记录。

2.2 PIN码保护

SIM卡本身是通过PIN码来保护的，PIN是一个4～8位的个人密码，只有当用户输入正确的PIN码时，SIM卡才能被启用，移动终端才能对SIM卡进行存取，也只有PIN认证通过后，用户才能上网通话。

2.3 用户身份鉴权

确认用户身份是否合法，鉴权过程是在是在网络和SIM卡之间进行的，而鉴权时间一般是在移动终端登记入网和呼叫时。鉴权开始时，网络产生一个128比特的随机数RAND，经无线电控制信道传送到移动台， SIM卡依据卡中的密钥Ki和算法A3,对接收到的RAND计算出应答信号SRES，并将结果发回网络端。而网络端在鉴权中心查明该用户的密钥Ki，用同样的RAND和算法A3算出SRES,并与收到的SRES进行比较，如一致，鉴权通过。

2.4 Sim卡中的保密算法及密钥

SIM卡中最敏感的数据是保密算法A3、A8、密钥Ki、PIN、PUK和Kc。A3、A8算法是在生产SIM卡时写入的，无法读出。PIN码可由用户在手机上自己设定，PUK码由运营者持有，Kc是在加密过程中由Ki导出的。

2.5 SIM卡的类型

• mini SIM：25mm×15mm，有的文档将这种卡称为标准卡。
• micro SIM：15mm×12mm。
• nano SIM：12mm×9mm。
• 虚拟SIM：直接在手机或者其他移动设备中集成SIM卡功能，卡成为了手机芯片模块的一部分。使用虚拟SIM的设备，必定是运营商定制设备，或者设备供应商和运营商签订了协议。

2.6 Sim卡物理接口

• Vcc：电源输入
• RESET：复位信号
• CLK：时钟输入信号
• GND：接地
• VPP：编程电压，现在已经基本不用
• I/O：数据输入输出

2.7 SIM卡内部结构

• CPU：处理器单元
• RAM：用于存放临时数据
• ROM：用于存放系统程序，用户不可修改
• EEPROM：用于号码、短信等数据，可擦写的程序等

2.8 SIM卡文件结构

详细卡文件请参考：3GPP 31102 4.7

• MF(Master File)：主文件，理解为根目录。MF文件的ID为3F00
• DF(Dedicated File)：专用文件，理解为文件夹。常见的DF有：
• DF-GSM：ID为7F20
• DF-TELECOM：ID为7F10
• ADF：Application DF，ID为7FFF
• EF(Elementary File)：基本文件，存储数据用的文件。基本文件又分为3类
• 透明EF：透明结构的 EF 由一个字节序列组成。简单理解为只有一条记录的文件
  
• 线性固定EF：线性固定 EF 文件由一个记录长度固定的记录序列组成。第一个记录记录号是 1。 简单理解为记录多条记录的文件。
• 
• 循环EF：循环文件用于以时间顺序存储的记录，当所有的记录空间都占用时，新的存储数据将覆盖最旧的信息。 如果线型固定EF的记录是一个数组的话，循环EF的记录就是一
  个循环链表。

注意：线性固定EF和循环EF最多只能存放255条记录
根据上面的描述，可以看得出来，要精确的定位到一个EF文件，完整的文件路径应该是：
MFID + DFID + EFID。
举例：DF-TELECOM下面的EF-SMS（保存短消息的SIM卡文件，ID为6F3C），完整路径就是“3F007F106F3C”。

2.9 常用的文件操作

2.9.1 常用的有如下操作

• SELECT：选择文件
• STATUS：查询当前目录的信息
• READ BINARY：读取透明EF内容
• UPDATE BINARY：更新透明EF内容
• READ RECORD：读取线性固定EF或者循环EF的记录
• UPDATE RECORD：更新线性固定EF或者循环EF的记录

2.9.2 PIN/PUK系列的命令：

• VERIFY CHV：验证PIN码
• CHANGE CHV：修改PIN码
• DISABLE CHV：关闭PIN码验证
• ENABLE CHV：打开PIN码验证
• UNBLOCK CHV：解锁

2.9.3 STK相关的命令：详细描述见STK主题文章

• TERMINAL PROFILE：告知SIM卡手机对STK的支持能力。初始化SIM卡的过程中发给SIM卡。
• FETCH：手机从SIM卡获取命令
• TERMINAL RESPONSE：手机返回SIM卡执行主动式命令的结果
• ENVELOPE：手机发送数据或者事件给SIM卡。

3. sim卡初始化流程

如上图所示，SIM 卡激活后(用指定的高低电平顺序给SIM卡的几个管脚上电，在ISO/IEC7816-3定义)， ME 选择专有文件 DF-GSM，并查询语种文件EF-LP(language preferred)。如果语种文件不可得，或者 EF 中的语言不被支持，那么 ME 选择一种缺省语言。然后 ME 进行 CHV1 验证过程。如果 CHV1 验证过程执行成功， ME 接着执行 SIM 卡 PHASE 请求过程。如果 ME 检测到一个 PHASE 1 SIM 卡，它将忽略接.与 FDN(Fixed Dialing Number，固定拨号) 有关的过程，并进入GSM启动操作。

注：现在的SIM卡基本上都是Phase 2的

对于 PHASE 2 SIM 卡，只有在以下二个条件之一满足时，才能启动 GSM 操作：

1. 如果EFIMSI和EFLOCL为失效，GSM操作立即启动；
2. 如果EFIMSI 和 EFLOCI 已失效，ME 激活这二个 EF。

如果 FDN 功能满足以下3种情况，则GSM流程启动，否则GSM操作不应该启动

1. FDN 在 SIM 卡中被分配并激活，并且FDN 被置为“ ENABLED”；
2. FDN 在 SIM 卡中被分配并激活，并且 FDN 被置为“ DISABLED”；
3. FDN 未被分配或未被激活；

然后， ME 执行下述GSM启动操作,包括：

1. ADMINISTRATIVE 信息请求
2. SIM 卡服务表请求
3. IMSI 请求
4. 存取控制请求
5. HPLMN 搜索周期请求
6. PLMN选择请求
7. 位置信息请求
8. 密钥请求Draft prETS 300 608:1996.08 HCCL GSM 11.11 Version4.18.0
9. BCCH 信息请求
10. 禁止 PLMN 请求

SIM 卡初始化成功完成以后， MS 准备 GSM 会话。

4. SIM卡常用协议

SIM卡相关协议都在以下3个协议系列中：

• 11系列：GSM only (before Rel-4)
• 51系列：GSM only (Rel-4 and later)
• 31系列：3G and beyond / GSM (R99 and later)

日常工作中经常用到的有：

• SIM/USIM：11.11 / 51.011 / 31.102
• STK：11.14 / 51.015 / 31.111
• SIM/USIM测试协议：51.010 / 31.121
• STK测试协议：51.010-4 / 31.124