GSM系統(tǒng)中的用戶識別模塊——SIM卡

　GSM 數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)中的用戶識別模塊棗SIM卡是GSM系統(tǒng)中移動臺的重要組成部分，是用戶進(jìn)網(wǎng)登記的憑證。在GSM系統(tǒng)中，通過對SIM卡的物理接口；邏輯接口的明確定義，來完成與移動終端的連接和信息交換；同時在SIM卡內(nèi)部進(jìn)行用戶信息存儲，執(zhí)行鑒權(quán)算法和產(chǎn)生加密密鑰等工作。SIM卡是應(yīng)用GSM移動通信終端的一種鑰匙，用戶只需將SIM卡插入或嵌入任何一臺GSM終端，即能實現(xiàn)通信，而通信費會自動記入持有該卡的用戶帳戶上。SIM卡還管理著許多涉及本地提供給用戶業(yè)務(wù)的信息。SIM卡可用于存儲短消息，特別是那些當(dāng)用戶不在時接收的短消息，SIM卡另一奇特應(yīng)用是“SIM卡漫游”，漫游涉及的網(wǎng)絡(luò)方面并不依賴各個網(wǎng)絡(luò)中用到的接人方案。SIM卡目前的市場主要是與GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)密切相關(guān)隨著GSM用戶的迅猛發(fā)展，對SIM卡的需求必將迅猛增加。
　　1．SIM卡的功能特點
　　在GSM系統(tǒng)中SIM卡具有如下功能特點：
　　（1）存儲用戶相關(guān)數(shù)據(jù)；在SIM卡預(yù)個人化階段，存儲國際移動識別碼IMSI、鑒權(quán)密鑰Ki，個人識別碼PIN、PIN碼顯示使能、PIN碼出錯計數(shù)，預(yù)個人化數(shù)據(jù)、SIM卡狀態(tài)、個人消閉密鑰等。在SIM卡個人化階段，存儲用戶相關(guān)信息、個人化數(shù)據(jù)和用戶接人等級控制以及存儲在移動設(shè)備的控制下讀出或更新加密密鑰KC等。
　　（2）用戶PIN的操作和管理，SIM卡本身是通過PIN碼來保護(hù)的，PIN是一個四位到八位的個人身份號，只有當(dāng)用戶輸入正確的PIN碼時，SIM卡才能被啟用，移動終端才能對SIM卡進(jìn)行存?。阂仓挥蠵IN認(rèn)證通過后，用戶才能接入進(jìn)網(wǎng)。
　?。?）用戶身份鑒權(quán)，確認(rèn)用戶接人進(jìn)網(wǎng)是否合法，確認(rèn)過程是在網(wǎng)絡(luò)和SIM卡之間進(jìn)行的，而確認(rèn)時間一般是在移動終端登記人網(wǎng)和呼叫時，鑒權(quán)開始時，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個128比特的隨機(jī)數(shù)RAND，經(jīng)無線電控制信道傳送到移動臺，移動臺從SIM卡中取出固有的密鑰Ki和算法A3，對接收到的RAND計算出應(yīng)答信號SRES，并發(fā)回網(wǎng)絡(luò)端。而網(wǎng)絡(luò)端在鑒權(quán)中心查明該用戶的密鑰Ki用同樣的RAND和算法A3算出SRES，并與SRES進(jìn)行比較，如兩者一致，則鑒權(quán)通過，否則，鑒權(quán)失敗，接續(xù)中止。
　　（4）SIM卡中的保密算法和密鑰，SIM卡中最敏感的數(shù)據(jù)是保密算法A3、A8、密鑰Ki、PIN、PUK和KC。A3、A8算法是在生產(chǎn)SIM卡時寫入的，一般人無法讀出A3、A8算法，PIN碼可由用戶在手機(jī)上自己設(shè)定，PUK碼由運營者持有，KC是在　　加密過程中由Ki導(dǎo)出的。Ki用DES進(jìn)行加密，DES算法中加密和解密都用同一密鑰KDES，運營單位管理密鑰KDES。
　　2．SIM卡的硬件特性
　　SIM卡是帶微處理器芯片的IC卡，它由CPU，工作存儲器RAM、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器EEPRoM和串行通信單元5個模塊組成，5個模塊集成在一塊IC中。例如MOTOROLA公司的SC21 SIM卡，其中CPU為68H05，ROM為6144比特，RAM為128比特，EEP-ROM為2902比特可擦除，16比特不可擦除。目前市場上幾種主要SIM卡型號是：SC21、SC27、SC28、H8／3101、ST16612、ST16等。
　　SIM卡符合ISO7816要求。SIM卡共有8個觸點，通過這些觸點與移動終端接口并提供SIM卡電路工作時所需電源。SIM卡的時鐘頻率通常由移動終端提供，I／O輸出輸入的傳輸波特率是時鐘頻率的1／372。SIM卡在工作方式時完成與移動終端之間的信息傳輸。在休閑方式時，SIM卡將保留所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并支持內(nèi)部全休眠對指令休眠和時鐘休眠三種休眠方式。
　　目前有兩種功能相同而形式不同的SIM卡投入實用：一種是卡片式SIM卡，尺寸與普通信用卡相同，用戶只要將SIM卡插入GSM終端，即可使用GSM網(wǎng)。另一種形式是蔽人式SIM卡，尺寸為25MM x 15MM，觸點尺寸與卡片式相同，主要用于手持機(jī)中。
　　3．SIM卡的數(shù)據(jù)文件
　?。?）SIM卡是按數(shù)據(jù)文件來組織數(shù)據(jù)的，數(shù)據(jù)文件是一個邏輯數(shù)據(jù)區(qū)，不同的數(shù)據(jù)文件分別存儲在不同的目錄下。數(shù)據(jù)文件有兩種類型，一種是透明的文件，它是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文件，由固定長度的字塊構(gòu)成；另一種是面向記錄的數(shù)據(jù)文件，它由固定長度的邏輯記錄組成。
　 （2） GSM規(guī)范對SIM卡的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，下面分別就各種數(shù)據(jù)文件的作用及結(jié)構(gòu)作一簡要介紹。
　　持卡者相關(guān)信息數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)文件位于根目錄下，占30個字節(jié)，作管理用，它包括持卡者姓名、代號等。
　　IC卡識別信息數(shù)據(jù)文件，位于根目錄下，長度為10個字節(jié)，其數(shù)據(jù)用于識別IC卡。在SIM卡制造階段，由廠家將數(shù)據(jù)寫入。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：經(jīng)濟(jì)活動代號、國家代號、發(fā)行號、序列號、填充碼等。
　?。?）管理數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長度為3字節(jié)，內(nèi)容包括：操作方式、類型認(rèn)可、制造商專用信息等。
　?。?）SIM卡業(yè)務(wù)表數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用口錄下，長度2字節(jié)，其內(nèi)容用于識別那些在SIM卡內(nèi)分配和激活了的業(yè)務(wù)。
　?。?）IMSI數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長為9字節(jié)，用于存儲國際移動用戶身份號（IMSI）。
　?。?）位置信息數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，11個字節(jié)，用于存儲臨時移動用戶身份號（TMSI）、位置區(qū)域號（LAI）、位置狀態(tài)更新等與位置有關(guān)的信息，以維護(hù)用戶的移動性。
　?。?）密鑰KC和N的數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長9個字節(jié)，用于存儲密鑰KC（占8個字節(jié)）和密鑰序號（占1個字節(jié)），便于身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密。
　　（8）PLMN選擇數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長24個字節(jié)，可存儲8個PLMN號碼，用來確定用戶選用的PLMN的優(yōu)先級順序，便于漫游功能的實現(xiàn)。
　　（9）BCCH（廣播信道）信息數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長16個字節(jié)，用于存儲BCCH信息。
　?。?0）禁用PLMN數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長12個字節(jié)，要求存儲4個PLMN號碼，作為SIM卡初始化過程的一部分。
　?。?1）訪問控制數(shù)據(jù)文件，位于GSM應(yīng)用目錄下，長2字節(jié)，用于存儲訪問控制級別的信息。
　?。?2）縮位撥號數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為“14＋X”字節(jié)，該數(shù)據(jù)文件包括：撥號、有關(guān)的字母標(biāo)記、網(wǎng)絡(luò)／承載容量標(biāo)識符、被叫用戶地址標(biāo)識符。
　?。?3）容量／結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為15個字節(jié)，其存儲的參數(shù)與要求的網(wǎng)絡(luò)和承載容量以及移動終端結(jié)構(gòu)有關(guān)。
　　（14）被叫方子地址數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為23個字節(jié)，存儲被叫方子地址及相關(guān)信息。
　?。?5）短信息存儲數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為176個字節(jié)，存儲從網(wǎng)中接收來或向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信息以 及160個字符的預(yù)先確定的短信息號碼。
　?。?6）固定撥號數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為“21＋X”字節(jié)，用于存儲特殊業(yè)務(wù)的號碼。
　?。?7）計費計數(shù)器數(shù)據(jù)文件，位于電信應(yīng)用目錄下，記錄長度為2個字節(jié)，存儲與呼叫計費有關(guān)的信息。
4．SIM卡與移動終端的接口過程
　　在GSM應(yīng)用中，SIM卡與移動終端接口，在此過程中，移動終端起主機(jī)作用，而SIM卡處于從屬地位。在GSM網(wǎng)絡(luò)操作中，SIM卡與移動終端的接口過程如下：
　　（1）SIM卡管理過程：SIM卡的初始化、去激活、業(yè)務(wù)表請求，管理信息請求及識別請求。
　　（2）用戶PIN碼相關(guān)過程：用戶PIN碼檢驗、替換、阻塞、再起動及SIM卡解鎖過程。
　?。?）GSM保密相關(guān)過程：GSM算法計算，TMSI、LAI、密碼密鑰及序列號、IMSI、BCCH信息，禁止PLMN信息、位置更新狀態(tài)的請求或更新。
　?。?）移動用戶信息相關(guān)過程：短信息、充電信息、縮位撥號、性能結(jié)構(gòu)參數(shù)、PLMN選擇器的請求、存儲扣消除。
　　5．SIM卡的指令系統(tǒng)
　　在GSM應(yīng)用中的指令由命令及相應(yīng)的響應(yīng)構(gòu)成，命令的格式符號ISO／IEC7816-4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
　　有兩種類型的GSM指令，一種標(biāo)為MS指令，它是實現(xiàn)移動終端和SIM卡之間接口操作的指令，另一種稱為ADM指令，它是GSM管理期間實現(xiàn)SIM卡與終端接入設(shè)備之間操作的指令，ADM指令是由網(wǎng)絡(luò)運營者自行確定的尚未標(biāo)準(zhǔn)化。
　　M5指令共有15種，可分為以下幾組：控制組、PIN組、鑒權(quán)組、讀入組、寫入組、管理組。
　　6．SIM卡的使用
　　在GSM系統(tǒng)中，移動終端出廠后不能直接使用，用戶必須在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營部問注冊得到一張用戶識別模塊SIM卡，它是持卡用戶在電信局的代表。
　　當(dāng)用戶將SIM卡插入GSM終端的卡片讀取器后，通信終端會提示輸入長度為4-8位數(shù)的PIN碼，用戶輸入PIN后，按“#”鍵即起動了對PIN的校驗。若輸入的PIN正確，移動終端就可以對SIM卡進(jìn)行存取，讀出相關(guān)的數(shù)據(jù)，而且可以接人進(jìn)網(wǎng)，每次呼叫結(jié)束或者移動終端正常關(guān)閉時，所有的臨時數(shù)據(jù)都會從移動終端傳送到SIM卡中。以后開、關(guān)移動終端又都要進(jìn)行PIN校驗，通信過程中，從移動終端中取出SIM卡會終止當(dāng)時的通信，而且目還可能破壞用戶數(shù)據(jù)。
　　用戶PIN碼可以任意修改，但輸入新的PIN前，要先輸入原來的PIN。如果輸入的PIN不正確，用戶還可以再輸入兩次，輸入出錯時會顯示出錯信息，出錯三次后SIM卡將閉鎖。消除SIM卡的閉鎖，可使用正確的八位碼個人消閉鎖密鑰PUK，用戶能否知道PUK是由網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者的SIM卡管理規(guī)程確定的，如果輸入的PUk出錯超過10次，SIM卡將永久閉鎖。