SIM卡及其初始信息写入方法研究与实现.docx

您 的论文得到两院院士关注网 络 与 通 信文章编号:1008-0570(2009)08-3-0111-03SIM 卡及其初始信息写入方法研究与实现Research and implementation on SIM card initialization(1.广东工业大学;2.中炬高新技术实业(集团)股份有限公司) 朱铮涛 1,2 曾江翔 1ZHU Zheng-tao ZENG J iang-xiang摘要: 根 据 SIM 卡的工作原理和 有 关 技 术 规 范 , 研 究 SIM 卡初始信息的写入方法 , 设 计 由 PC 机 、 控制板加网络系统实现 SIM 卡初始信息写入系统 。 提 出 利 用 ARM 板实现串口扩展 , 计 算 机 在 Windows 操作系统下控制 ARM 板, 控 制 板 在 LINUX 操 作 系 统 下控制读卡器实现 SIM 卡信息写入的两级控制方案 。关键词: SIM 卡; 读卡器; LINUX中图分类号: TN92 文献标识码: A技 术 创 新Abstract: According to the working principle and the relevant technical specifications of SIM card, research was done on the method of SIM card initialization, and a SIM card initialization system was designed, which is made up of PC, control boards and network. PC running Windows OS controls the ARM boards, and ARM boards running Linux OS control the readers. With such a control pro- grammer, the system expands the number of serial ports and implements the SIM card initialization.Key words: SIM Card; Reader; LINUXSIM 卡是 GSM 数字移动通信系统的重要组成部分,SIM 卡 技术在 GSM 系统中引入后最显著的效果是大大提高了移动通 信的安全性,使无线电通信从不保密的禁区解放出来。 在 GSM 系 统 中,通 过 对 SIM 卡物 理 接 口 、 逻 辑 接 口 的 明 确 定 义 来 完 成 与移动终端的连接和信息交换,同时在 SIM 卡内部进行用户信 息存 储 、 执行 鉴 权 算法 和 产 生加 密 密 钥等 工 作 。 目前 有 两 种 SIM 卡内部的信息读写方式: 一是具备 SIM 卡读写能力的通用 型智能读卡器;二是专门设计的读卡器。 通用型智能读卡器一般 选择市场上相对成熟的型号,由专业的读卡器厂商设计制造,经 过长期的 市 场 使 用 检 验,稳 定 性 较 好,并 配 备 标 准 的 接 口,可 直 接与 计 算 机 连 接; 缺 点 是 在 驱 动 开 发 方 面 一 般 需 要 获 得 厂 商 支 持 。 专 门设 计 的 读卡 器 可 以与 控 制 系统 紧 密 结合,有 利 于系 统的 集 成, 但 是 要 达 到 足 够 的 稳 定 性 需 要 一 定 的 设 计 能 力 和 长 时 间的 使 用 检验 。 目 前,许多 读 卡 器仅 提 供 Windows 操作 系 统下 的 驱动 。 在 多 SIM 卡写 入 装 备中,需 要 利用 扩 展 板连 接 多 读卡 器,由于 扩 展 板 上 一 般 是 LINUX 操 作 系 统,因 此 必 须 根 据 SIM 卡 的 技 术 标 准 编 写 能 用 于 LINUX 操 作 系 统 下 的 接 口 函 数, 使计 算 机 通 过 扩 展 板 控 制 实 现 多 读 卡 器 对 SIM 卡 的 读写 操作。 本文在研制电信相关行业 SIM 读写设备的过程中,根据 读卡器和 SIM 卡有关标准,开发了嵌入式系统下的读卡器驱动, 提出了一种基于网络扩展的 SIM 读写方案,利用计算机作为控 制和显示终端,通过计算机上的网口与集线器连接,再由集线器 连接 ARM 控制板,ARM 板上的串口连接串口读卡器,利用两级控制实现多读卡器的读写操作,从而为多 SIM 卡写入装备的研 制奠定了基础。1 SIM 卡的工作原理(1)硬件规范SIM 卡是智能卡的一种,内部有微处理器芯片(CPU),还包括 工 作 存 储 器 (RAM)、 程 序 存 储 器 (ROM)、 数 据 存 储 器 (EEPROM, FLASH 等)和串行通信单元等模块,这些模块集成在一块集成电 路中,以保证安全性。 SIM 卡属于接触式卡,共有 8 个触点,触点 形成了终端设备与卡内的微处理器(CPU)之间的电气接口。(2)文件系统SIM 卡采用新的单片机和存储器管理结构, 处理能力大大 增强。 SIM 卡中存有 3 类数据:与持卡者相关的信息以及移动通 信运营商提供的业务信息;GSM 应用中特有的信息;与其他电信 应用或业务共享的信息。数据在 SIM 卡内部以文件的形式组织。 SIM 卡的文件系统 要实现的功能包括:空间的管理维护;数据的有效存储;数据的查 找和定位;数据的修改和维护。 SIM 卡内部树状文件系统结构如 图 1,卡内的文件分为 3 种不同的类型,其中:MF 为主文件,DF 为 专用文件,EF 为基本数据文件。朱铮涛: 副教授 博士基金项目: 基金颁发部门: 广东省自然科学基金 (4009469); 基 金颁发部门: 广东工业大学博士启动基金 (053022); 基金颁发 部 门: 中炬 高 新 技术 实 业(集团)股 份 有限 公 司 博 士 后 工 作 站;(3)命令集图 1 各类型文件之间的逻辑结构基 金 颁发 部 门: 广东 工 业 大学 信 息 工 程 学 院 广 东 省 名 牌 专 业 信息工程终端 设 备和 SIM 卡 之 间的 通 信 过程 都 是 基于 命 令 响 应 的方式处理的。 终端发送一条命令给 SIM 卡,卡处理完毕产生一P LC 技术应用 200 例邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 111 -网 络 与 通 信个应答回送给终端。 从终端接到一条命令前,卡永远不会传送任 何数据。 通信依靠相对简单但严格规定的传输协议进行。命令的格式如下:INS 为指令编码,P1、P2、P3 是指令参数。 INS、P1、P2、P3 的 长度均为一个字节。 在某些指令中,P3 是数据长度,即发送或者 接收 的 数据 字 节 数(不 包 括 命令 本 身),对 于 要 求 从 SIM 卡 输 出 数 据 的 命 令,P3 等 于 “00” 表 示 从 SIM 卡 向 外 传 输 256 个 字 节, 对于要求 SIM 卡接收数据的命令,P3 等于“00”表示无数据传送 给 SIM 卡。 SIM 卡的命令集详见 GSM 11.11 标准。响应的格式如下:DATA 是数据或参数。SW1,SW2 是状态字节,用来指示命令 执行是否成功以及失败的原因。 SW1 和 SW2 是必须的,也就是 说 响 应 的 长 度 至 少 是 2 个 字 节 。 状 态 字 节 的 值 和 意 义 在 GSM11.11 标准中定义。技 术 创 新2 读卡器智能卡读卡器(Smart Card Reader)是读写智能卡的 设 备,也 称为接口设备(IFD,Interface Device)。 通用的智能卡读卡器可以 用来读写 SIM 卡,读卡器与智能卡之间的数据交换在一定的数 据传输协议上进行, 在国际标准 ISO-7816 中规定 15 种可以使 用的传 输协 议,GSM 11.11 规 范要 求 SIM 卡 至少 要 支 持 T=0 传 输协议。读卡器与外部用户(如计算机)可以通过多种接口进行数据 交换,常见的有 RS-232,PS/2,USB 和 PCMCIA 等。 接口只提供两 者之间可靠的数据传输, 数据本身的意义由读卡器和用户负责 解释。 通常,这些通信协议由读卡器设计者制定,没有统一的标 准。 在常见的操作系统上,读卡器的生产商会提供相应的编程接 口或者驱动程序将通信协议进行封装, 使用读卡器的程序可以 调用相关的函数控制读卡器读写智能卡上的数据。 对于嵌入式 系统平台,厂商基本上没有提供这样的编程接口或驱动程序,需 要自己编写代码实现。(1) 编程接口微 软 (Microsoft) 公 司 的 WINDOWS 操 作 系 统 支 持 名 为 PC/ SC(Personal computer/Smart Card)的规范。 该规范提供一个统一 的编程接口,对于所有支持该规范的读卡器,用户只需要调用这 个编程接口来使用读卡器, 解决了应用程序和读卡器之间的兼 容性问题,使应用程序不必关心与读卡器的通信细节。市场上大 部分读卡器均支持该规范, 然而该规范需要操作系统和读卡器 驱动程序的支持,两者缺一不可。 而 Linux 操作系统本身就不支 持这个规范, 除非安装额外的组件以及得到读卡器厂商的驱动 支持。(2) 通信协议。 。读卡器的功能反映在通信协议上, 是相应命令和回应的组 合,具体的编码由通信协议定义。每种功能的实现都是先由用户 发送命令给读卡器,然 后 读 卡器 执 行 命令,把 结 果回 送 给 用户 。 读卡器和智能卡的通信过程与这个过程类似。 本文制定的通信 协议将命令和回应封装于报文中进行传送。 报文是一个严格定 义的数据结构, 由一些固定长度的编码字段和一个可选的数据 字段组成。微计算机信息( 管控一体化) 2009 年第 25 卷第 8-3 期Start 字段是一个起始符,是报文开始的标志。 Message Type 字段包含命令或者回应的编码;Length 字段表明 Data 字段的长 度,若为 0,则表示该报文没有 Data 字段;Parameter 是参数字段,包 含命令或者回应的各种参数、 状态和错误等的编码;Data 是可选 的数据字段;Sum 字段是一个校验码, 对整个报文的完整性和一 致性进行检验。 除 Data 字段外,所有其他的字段均为固定长度。(3) 报文的 C 语言实现 用 C 结构来描述该报文: struct MessagePack unsigned char Start; unsigned char MessageType; unsigned char Length4; unsigned char Parameter5; unsigned char *Data; unsigned char Sum;命令和回应是一一对应的,命令由用户发送给读卡器,回应 由读卡器返 回 给 用户 。 命 令 的主 要 类 型有:INIT,GET_STATUS, SEND_ADPU,分别对应各自的回应为:RES_INIT,RES_GET_STA TUS,RES_Send_ADPU。 读 卡 器 接 收 了 正 确 的 命 令 并 成 功 执 行 后,在回应的参数字段返回一个成功代码,否则在参数字段返回 错误代码,用户可以检查该字段以确定是否有错误发生。INIT 命 令 用 于 初 始 化 读 卡 器 , 该 命 令 对 应 的 回 应 为 RES_INIT。GET_STATUS 命令用于获得读卡器的状态,包括是否 有卡片插入,卡片是否已上电,与卡片的通信是否正常等 。 该命 令对应的回应为 RES_GET_STATUS,回应的参数字段描述了读 卡器的当前状态。 SEND_ADPU 命令用于向卡片发送 ADPU 命 令,ADPU 命 令 放在 Data 字 段 传送 给 读 卡器, 再 由 读卡 器 将 该 ADPU 命令发送给卡片。 该命令的回应是 RES_SEND_ADPU,读 卡器将卡片执行 ADPU 命令的结果通过 Data 字段回送给用户。3 控制系统软件设计图 2 PC 机与控制板网络连接结PC 机与控制板的网络连接见图 2。 整个系统的软件设计可 以划分为两个部分:PC 机软件和控制板软件。 PC 机软件负责数 据的输入和状态的显示,控制板软件负责接收 PC 机发送过来的 命令和数据,对读卡器进行控制,并将操作的结果返回给 PC 机。PC 机软件和控制板软件的大致工作流程如图 3 和图 4。4 运行结果和分析启动系统,刷新控制板列表后,在软件的控制板列表框中会 显示系统中正常工作的控制板信息和读卡器状态,如图 5 所示。 此时可以对控制板进行编号或者测试等处理。 与列表中的所有 控制板建立连接后, 载入烧写的数据文件之后就可以按照某种 控制策略写入 SIM 卡初始信息。- 112 - 360元 / 年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例您 的论文得到两院院士关注网 络 与 通 信5 结论Journal of Australia,1993,43(2):p153-1582Wolfgang Rankl,Wolfgang Effing,(编著),王卓人,王锋(编译),智# $ % &! 本文研究了 SIM 卡的有关技术标准,针对 SIM 卡初始信息的烧写要求,提出了 PC 机控制控制板 、控制板控制读卡器实现SIM 卡初始信息写入的两级控制方案, 经过实验室和现场调试 试验,达到了预期要求,满足了电信相关行业对 SIM 卡初始信息 写入装备的控制要求。论文仅研究智能卡初始信息的写入方法, 对智能卡双向认证协议感兴趣的读者可参阅文献。能卡大全(第 3 版),北京:电子工业出版社,20023李翔,智能卡研发技术与工程实践,北京:人民邮电出版社,20034GSM 11.11 TECHNICAL,SPECIFICATION Version 5.0.0,December 19955张伟丽,杨鼎才,亓文华,智能卡双向认证协议的改进,微计算机信息,2007 年第 23 卷:P78-79,106作者简介:朱铮涛(1967-),男(汉族),江苏启东人,广东工业大学信 息工程学院副教授, 博士, 主要研究方向为计算机视觉检测技 术、计算机控制。 图 3 PC 机 控制流程图Biography:ZHU Zheng -tao (1967 - ), Male (han), Jiangsu Province, Guangdong University of Technology , Doctor, Computer Vision Inspection, Computer control.(510006 广州 广东工业大学信息工程学院) 朱铮涛 曾江翔(528437 中山 中炬高新技术实业(集团)股份有限公司)朱铮涛 (Guangdong University of Technology Guangzhou 510006, China) ZHU Zheng-tao ZENG Jiang-xiang技 术 创 新Jonjee Hi -tech Industrial & Commercial Holding Co., Ltd. (Zhongshan, 528437,China) ZHU Zheng-tao通讯 地 址:(510006 广 州 市 大 学 城 外 环 西 路 100 号 广 东 工 业 大学 B-65 信箱) 朱铮涛(上接第 103 页)(收稿日期:2009.07.15)(修稿日期:2009.08.15)图 4 控制板软件流程图4(美)Alessando RubiniLinux 设备驱动程序 第二版,魏永明 等译 中国电力出版社,20045James E.Smith. Virtual Machines versatile Platforms for Systems and Processes 北京:电子工业出版社 20066贺抒,梁昔明.NAT 技术分析及其在防火墙中的应用.微计算机 信息,2005,1-1:167-168作者简介:杨名川(1971- ),女(汉族), 黑龙江哈尔滨人,深圳职业 技术学院电信学院讲师, 硕士 ,2007 年赴英国考文垂大学研修, 主要从事计算机网络研究。Biography:YANG Ming -chuan (1971 - ) ,femal (chinese),Hei- longjian