手機SIM卡的進化史

SIM卡是目前手機中不可缺少的卡，有了它，手機才可以真正的叫做手機，發(fā)揮手機最根本的功能。日常我們使用手機，SIM卡是必須，沒有了它就不能接入網(wǎng)絡運營商進行通信服務。SIM卡作為網(wǎng)絡運營商對于我們身份辨別的證件，其起到了重要的作用。

SIM卡是（Subscriber Identity Module 客戶識別模塊）的縮寫，也稱為智能卡、用戶身份識別卡，GSM數(shù)字移動電話機必須裝上此卡方能使用。它在一電腦芯片上存儲了數(shù)字移動電話客戶的信息，加密的密鑰以及用戶的電話簿等內(nèi)容，可供GSM網(wǎng)絡客戶身份進行鑒別，并對客戶通話時的語音信息進行加密。

SIM卡主要用于GSM系統(tǒng)，但是兼容的模塊也用于UMTS的UE（USIM）和IDEN電話。有人把CDMA2000和cdmaOne的RUIM卡和UIM卡，也稱作SIM卡，雖然兩者作用類似，并遵守了一樣的所有機械、電氣標準和部分軟件標準，但是上層應用并不一定兼容。SIM由CPU、ROM、RAM、EEPROM和I/O電路組成。用戶使用SIM時，實際上是手機向SIM卡發(fā)出命令，SIM卡應該根據(jù)標準規(guī)范來執(zhí)行或者拒絕；SIM卡并不是單純的信息存儲器。

SIM卡在GSM系統(tǒng)中的應用，使卡和手機分離，SIM卡唯一標識一個客戶。一張SIM卡可以插入任何一部GSM手機中使用，而使用手機所產(chǎn)生的通信費則自己記錄在該SIM卡所唯一標識的客戶帳上。SIM卡容量有8K、16K、32K、64K，其中512k以上的大容量的SIM卡統(tǒng)稱為STK卡。

SIM卡的主要功能

SIM卡最重要的一項功能是進行鑒權(quán)和加密。當用戶移動到新的區(qū)域撥打或接聽電話時，交換機都要對用戶進行鑒權(quán)，以確定是否為合法用戶。這時，SIM卡和交換機同時利用鑒權(quán)算法，對鑒權(quán)密鑰和8位隨機數(shù)字進行計算，計算結(jié)果相同的，SIM卡被承認，否則，SIM卡被拒絕，用戶無法進行呼叫。SIM卡還可利用加密算法，對話音進行加密，防止竊聽。

數(shù)字移動電話手機只有裝上SIM卡后才能使用，否則只是一部“裸機”，只能撥通網(wǎng)絡中心許可的幾個緊急號碼，如110、119等。當SIM卡被插入任何一部符合數(shù)字移動電話系統(tǒng)規(guī)范的移動電話手機時，就可接打電話。通話費自動記入持卡人的帳單上，而與移動電話手機無關。

為了防止手機丟失后被盜用，每張SIM卡都可設置一個密碼，即個人識別碼（PIN碼），用來對SIM上鎖。它是由用戶自己設定的，且可以隨時更改。只有當用戶輸入正確的密碼后，手機才能進入正常使用狀態(tài)。連續(xù)三次輸入錯誤的個人密碼，手機便會將SIM卡鎖住。要解鎖，必須使用解鎖碼。如果你忘了這個號碼，或SIM卡丟失，則需帶齊開戶資料，攜機到當?shù)氐臒o線營業(yè)廳解鎖或掛失。

SIM卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

拆開SIM卡，里邊有三種材料：表面金屬線路板、IC集成電路、黑色保護硬膠。三種材料各司其職，表面金屬線路板負責IC與手機的傳輸工作，黑色保護硬膠純?yōu)楸ＷoIC，而IC正是整塊SIM卡的靈魂所在。

現(xiàn)在SIM卡擁有四種的物理結(jié)構(gòu)，最早的版本的尺寸是與標準信用卡相同（85×54×0.78毫米），觸點則符合ISO 7816對ID-1型IC卡的規(guī)定。

由于手機小型化，目前的SIM卡，又稱“Mini SIM”，一般裁剪為25x15毫米的插入式。發(fā)售時一般嵌在一個ID-1型卡中，使用前沿著預制切口取下。

2010年，歐洲電信標準協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute）再從Mini SIM發(fā)展出縮小為15x12毫米的“Micro SIM”卡，Micro SIM卡首次使用在蘋果公司所推出的iPad及iPhone 4，后續(xù)iPhone 4S、iPad 2等眾多智能手機都有采用。

現(xiàn)在SIM卡均提供多種尺寸選擇。2011年，蘋果公司提出“Nano SIM”卡（8.8x12.3毫米）標準，經(jīng)過2012年的一番競爭，該標準被歐盟采納為4FF標準?！癗ano SIM”卡最早被應用在iPhone 5與iPad mini。

SIM卡實際是裝有微處理器的芯片卡，在這里面存儲了數(shù)字移動電話客戶的信息，加密的密鑰以及用戶的電話簿等內(nèi)容，可供GSM網(wǎng)絡客戶身份進行鑒別，并對客戶通話時的語音信息進行加密。

它的內(nèi)部有5個模塊，并且每個模塊都對應一個功能：微處理器CPU（8位）、程序存儲器ROM（3～8kbit）、工作存儲器RAM（6～16kbit）數(shù)據(jù)存儲器EEPROM（128～256kbit）和串行通信單元。這5個模塊被膠封在SIM卡銅制接口后與普通IC卡封裝方式相同。這5個模塊必須集成在一塊集成電路中，否則其安全性會受到威脅，因為芯片間的連線可能成為非法存取和盜用SIM卡的重要線索。

SIM卡的供電分為5V（1998年前發(fā)行）、5V與3V兼容、3V、1.8V等，現(xiàn)在的Micro SIM與Nano SIM卡均是1.8V，要求手機產(chǎn)生的SIM卡供電電壓與該SIM卡所需的電壓相匹配。SIM卡插入手機后，電源端口提供電源給SIM卡內(nèi)各模塊。

SIM卡在與手機連接時，最少需要5個連接線：電源(Vcc) 、時鐘(CLK) 、數(shù)據(jù)I/O口(Data) 、復位(RST) 、接地端(GND)，如下圖：

對于一個用戶號碼來說，IMSI和KI碼是唯一的。TMSI是隨時變動的。但IMSI很用以被復制。KI碼需要攻擊算號才出來。TMSI是電信服務商發(fā)給的。

1. 手機開機后會從SIM卡中讀取IMSI(15個數(shù)字)和TMSI(4字節(jié))；

2. 手機登錄網(wǎng)絡時，將會IMSI或TMSI發(fā)給網(wǎng)絡；

3. 網(wǎng)絡判斷到該IMSI或TMSI有效，要生成一個128bit的RAND，然后發(fā)給手機；

4. 手機收到RAND后，將RAND發(fā)給SIM卡；

5. SIM以里面的KI為密鑰對RAND進行A3A8運算，生成(SRES+Kc)；

6. 手機讀取(SRES+Kc)(32bit+64bit)，并將SRES發(fā)給網(wǎng)絡；

7. 網(wǎng)絡自己進行一次A3A8運算，如果結(jié)果與手機返回的SRES相同，則認為該用戶合法。

SIM卡保存的數(shù)據(jù)

SIM卡存儲的數(shù)據(jù)可分為四類：第一類是固定存放的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)在移動電話機被出售之前由SIM卡中心寫入，包括國際移動用戶識別號（IMSI）、鑒權(quán)密鑰（KI）、鑒權(quán)和加密算法等等。第二類是暫時存放的有關網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。如位置區(qū)域識別碼（LAI）、移動用戶暫時識別碼（TMSI）、禁止接入的公共電話網(wǎng)代碼等。第三類是相關的業(yè)務代碼，如個人識別碼（PIN）、解鎖碼（PUK）、計費費率等。第四類是電話號碼簿，是手機用戶隨時輸入的電話號碼。用戶全部資料幾乎都存儲在SIM卡內(nèi)，因此SIM卡又稱為用戶資料識別卡。

這些數(shù)據(jù)都存放在各自的目錄項內(nèi)，第一類數(shù)據(jù)放在根目錄，當電源開啟后首先進入根目錄，再根據(jù)指令進入相關的子目錄，每種目錄極其內(nèi)部的數(shù)據(jù)域均有各自的識別碼保護，只有經(jīng)過核對判別以后才能對數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)進行查詢，讀出和更新。上面第一類數(shù)據(jù)通常屬永久性的數(shù)據(jù)，由SIM卡生產(chǎn)廠商注入以后無法更改，第二類數(shù)據(jù)只有網(wǎng)絡運行部門的專門機構(gòu)才允許查閱和更新，再第三、四類數(shù)據(jù)中的大部分允許用戶利用任何手機對其進行讀/寫操作。

SIM卡的歷史及演變

SIM卡的歷史可要遠短于手機出現(xiàn)的歷史。歷史上的第一代手機僅支持’嵌入式’通訊標準：入網(wǎng)參數(shù)被硬編碼到手機終端內(nèi)存中。

類似于NMT-450這樣最古老的模擬標準并未采用任何安全保護措施：訂閱數(shù)據(jù)可任意被復制到另一部手機，如此便能以機主的身份免費撥打和接通電話了。

之后不久便推出了第一代被稱為’用戶識別安全（SIS）代碼’的安全保護措施 —總共有18位數(shù)字，每一部手機都擁有唯一的SIS代碼并被硬編碼到應用處理器內(nèi)。SIS代碼被均勻分配給了各家手機供應商，因此任意兩部手機的SIS代碼都不會重復。此外，手機處理器還保存了7位RID代碼，一旦用戶在蜂窩網(wǎng)絡內(nèi)注冊即會被發(fā)送到基站。

基站收到后則會隨機創(chuàng)建一組數(shù)字，與唯一SIS代碼捆綁后被回復到手機內(nèi)，SIS處理器就用這兩組數(shù)字來生成授權(quán)密鑰。

盡管密鑰和數(shù)字相對較短，但對于1994年來說已足夠安全—但不出意料，系統(tǒng)隨后即被破解，在這之后三年GSM（全球移動通信系統(tǒng)）標準出現(xiàn)了。GSM標準設計本身就較為安全，采用了類似于SIS但更加隱秘的回復授權(quán)系統(tǒng)。該標準的安全性在當時可以說是無可匹敵。

這意味著整個授權(quán)過程完全在集成入智能卡的外部處理內(nèi)進行?，F(xiàn)在人所共知的SIM最終成為了解決方案。隨著SIM卡的推出，入網(wǎng)不再需要單純依靠手機，手機用戶因此能頻繁更換手機，只需保留擁有移動識別功能的SIM卡即可。

SIM卡基本上來說就是一種 ISO 7816標準的智能卡，與其它接觸式基于IC的卡并無太大差異，例如：信用卡或電話卡。第一代SIM卡甚至在外形尺寸上也與信用卡相似，但外形縮小的整體趨勢使得更新且結(jié)構(gòu)更緊湊的SIM卡應運而生。

由于傳統(tǒng)的大尺寸1FF（第一代形狀因子）SIM卡已不再適合插入手機，因此通訊行業(yè)發(fā)明出了一種簡單且緊湊的解決方案：尺寸更小的SIM卡（mini-SIM，又稱為2FF或第二代形狀因子），也就是我們目前廣泛使用的SIM卡。一般在新的SIM卡周圍均連接了一個1FF大小尺寸的塑料框，更新的形狀因子將芯片和觸點排列限制在一個很小的卡片內(nèi)，因此也方便于從手機中拔出。

盡管在這之后還陸續(xù)推出了micro-SIM（3FF）和nano-SIM（4FF），但無論是形狀、觸點排列以及嵌入芯片的特性仍然和25年無太大差別。

SIM的替代者——eSIM卡

目前個頭最小的Nano SIM卡從誕生至今也已經(jīng)有好多年了，而根據(jù)如今的科技水平一項將能全面取代實體SIM的可以的出現(xiàn)也是理所當然的，eSIM卡就是其中一項。

eSIM卡又稱嵌入式SIM卡，簡單的說就是將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到設備芯片上，也就是沒有實體卡，而不是作為獨立的可移除零部件加入設備中，用戶無需像現(xiàn)在一樣插入物理SIM卡

而eSIM卡將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到設備芯片上，而不是作為獨立體單獨配備。這一做法不但可以讓用戶更加靈活的選擇運營商套餐、隨時更換運營商不在受到網(wǎng)絡制式的限制，還可以省去SIM卡制作的成本，用戶也不必擔心卡芯的損壞等問題。

GSMA（全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會）更是針對智能手表、健身追蹤器和平板電腦發(fā)布了eSIM卡遠程配置規(guī)范，雖然該規(guī)范目前并不適用手機，但GSM協(xié)會也表示使用手機的eSIM規(guī)范將會發(fā)布，該規(guī)范更是得到了全球超過30家運營商、芯片商和設備商的支持，這也預示著未來我們將進入無SIM卡的時代。

eSIM卡相比傳統(tǒng)sim卡的優(yōu)勢

1、不占空間

因其在制造過程中被嵌入到設備中，相比實體卡eSIM卡片能夠節(jié)省更多的空間，

也可以節(jié)省設備的耗電量。

2、提供了更高的安全性

解決了暴力插卡問題，可以減小手機的返修率，減少了開孔的面積，有助于提升設備的防水性能。

3、提高靈活性

可以靈活的選擇運營商網(wǎng)絡、OTA空中下載方式動態(tài)寫入用戶簽約信息，可以實現(xiàn)產(chǎn)品銷售后的用戶自主激活，在也不用煩那個運營商比較適合自己了。

4、能適應異常惡劣的環(huán)境

與設備集成的方式相比較插拔式的傳統(tǒng)SIM卡，能夠耐高溫、防塵、抗震、具備適用面更廣的電氣特性；

eSIM卡的意義

從最直觀的方面來說，如果使用eSIM卡手機中將可以取消掉傳統(tǒng)的SIM卡槽，而節(jié)省出來的空間則可以讓手機進一步變得纖??；而且不用擔心經(jīng)常換卡插拔會損壞SIM卡及卡槽。不但如此，其還帶來了更高的運營商切換自由，用戶無需進行復雜的銷號再入網(wǎng)就可以進行運營商網(wǎng)絡的更換，并且在出國后不用面臨高額的漫游使用費，只需選擇當?shù)剡\行商網(wǎng)絡即可。

另外，使用eSIM卡的設備直接輸入賬號和密碼登錄之后就可以上網(wǎng)了，意味著，只能使用手機進行上網(wǎng)語音通話的時代即將終結(jié)，將會有更多的可穿戴智能設備實現(xiàn)功能獨立上網(wǎng)及電話。語音將不再是手機專屬在不久的將來，隨著科技的進步一切移動電子裝備均可實現(xiàn)語音通話、上網(wǎng)瀏覽等等功能。

eSIM卡帶來的影響

對運營商的影響

由于eSIM卡將對部分運營商的現(xiàn)實利益帶來負面影響，靈活的運營商切換和變更可能導致用戶的分流、運營收入的降低和系統(tǒng)建設成本的高企，因此實施難免面臨著一些挑戰(zhàn)與阻力，從而導致各大運營商都是默默觀望，既不抵觸也不全力改革。反觀在蘋果的iPad Air2推出了AppleSIM之后，加入Apple SIM的運營商只有4個——美國的AT&T、Sprint、T-Mobile和英國運營商EE，得益于GIGSKY的業(yè)務覆推廣至93個國家。但是，這93個國家并不包括中國、日本、韓國。即便是四家支持者對Apple SIM也并非全力支持，必須是從AT&T、Sprint手里買的iPad才能使用它們的服務，且無法切換到其他運營商。

對芯片廠商的影響

金雅拓、捷德、歐貝特等大型卡商大力推動eSIM研發(fā)部署，已經(jīng)能夠提供包括eSIM卡和管理平臺在內(nèi)的完整解決方案，可實現(xiàn)eSIM遠程激活、管理和注銷; 愛立信 、蘋果、三星等設備和終端廠商積極展開專利布局并竭力推動eSIM應用，以期在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中掌握更多的主動權(quán)。

對民眾生活的影響

相比傳統(tǒng)的實體SIM卡，使用eSIM技術(shù)的設備能夠獲得不少優(yōu)勢。從物理層面來看，eSIM卡相較于實體SIM卡可以減少高達90%的空間，因為它已經(jīng)在制造過程中被嵌入了設備之內(nèi)，用戶可以進行遠程激活連接。而從技術(shù)角度來看，使用eSIM技術(shù)后可以令消費者能夠自由切換運營商，用戶無需進行復雜的銷號再入網(wǎng)就可以進行運營商網(wǎng)絡的更換。

eSIM面臨的問題及壓力

盡管對于用戶益處多多，但對于運營商，eSIM普及顯然不是一件好事情。當前的環(huán)境下，憑借SIM卡“一對一”的綁定：一張卡只對應一個號碼，運營商可以更好的掌握用戶數(shù)據(jù)、控制資費套餐等等，換卡所帶來的一大堆麻煩事使得用戶不會輕易的換卡。對于運營商而言，SIM卡實際就是一塊“擋箭牌”。

而eSIM的普及將會打破這個局面，用戶將可以像切換Wi-Fi一樣無縫切換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，這將讓一直由運營商牢牢把握的主導權(quán)被用戶搶走，對于運營商而言，這顯然是它們不想看到的。

同時，如果手機出現(xiàn)問題，用戶無法快速換到另一部手機上使用，而手機要是丟失，補卡又要怎么解決，這都是用戶所關心的問題。

相對傳統(tǒng)實體SIM，eSIM卡還是有著許多明顯的優(yōu)勢，技術(shù)的發(fā)展總是在向前的，更好更新的技術(shù)取代淘汰之前的事物也再正常不過。相信eSIM卡技術(shù)也將成為包括手機、智能穿戴、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的一個共同發(fā)展趨勢。