SIM卡体系结构

1、SIM卡体系结构 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第一节SIM卡系统描述1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 第二节拓扑结构1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第三节物理接口 2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 3.1幅面2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.2内部结构2 HYPERLINK l bookmar

2、k36 o Current Document 第四节电源3第五节接口协议4 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 交流协议4 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 安全特性45.3稳定性55.4差错控制5 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 第六节系统配置5命令集5预激活SIM卡6 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 第七节数据流模型7 HYPERLINK l bookmark119 o Current D

3、ocument SIM卡数据的一般构成7 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document SIM卡的数据结构7 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 7.2 SIM 卡中存储的信息表 7 HYPERLINK l bookmark150 o Current Document 第八节SIM卡设备9 HYPERLINK l bookmark153 o Current Document 第九节SIM卡硬件和软件9 HYPERLINK l bookmark156 o Current Document 第十节扩展体系结构

4、9第一节SIM卡系统描述SIM卡(Subscriber Identity Module)即用户身份模块，除某些特殊情况(例如紧急呼 叫)，在没有SIM卡时，GSM用户不能接入GSM服务。该模块可以说是GSM用户功能实 体，它包含了所有的用户数据，特别是鉴别用户过程和与用户有关的信息。SIM卡应符合 ISO7816标准，该标准确定了机电特性和微电路卡功能，常被称为“跳蚤”卡。在Phase2+中GSM建议定义了一个控制底板，SIM卡能将其联于手机。人们说SIM卡 为“前激活”。SIM卡通过与网络发送的短消息相结合，提供了一些重要的能力，即确定了 对每个运营者的特殊服务。第二节总线拓朴结构无第三节物

5、理接口1幅面人们通过尺寸区别两种形式的SIM卡：大的ID-1型SIM卡和小的plug-in型SIM卡ID-1型SIM卡，其尺寸与信用卡一样。它符合规范IOS7810和7811，嵌入和取 出这种卡比Plug-in型SIM卡要快。Plug-in型SIM卡，其尺寸小。这种卡是手机常用的形式。它在手机中的嵌入和取 出不如ID-1型SIM卡那么简单。“规范”中规定了基站可同时接受ID-1型和Plug-in型两种SIM卡。对手机来说，ID-1 型SIM卡在呼叫期是嵌入的，那么它只用到呼叫结束。如果ID-1型SIM卡被取出，则 Plug-in型SIM卡可接入使用。最后，在呼叫期间如果取出ID-1型SIM卡，

6、呼叫则自动 中断。3. 2内部结构SIM卡是围绕着处理器组织的。它包括了几种存储器【44】-ROM(Read Only Memory)，典型容量为16K字节，含有卡的开发系统，算法A3和 A8 (也可能A38)是专有使用；EEPROM(Electricaly Erasable Programmable Read Only)，储存多少电话号码取决于卡 的EEPROM的容量，典型容量为8K字节，它包含了全部GSM规范定义域和与专有使用有 关的数据；RAM(Random Access Memory)，其容量还可以减小，典型值是数百字节，它包含与 专有使用有关的数据。使用电可编程只读存储器EEPROM

7、的SIM卡能保存手机关机时所存储的信息，并在必 要时提取这些信息。使用者只要保存好SIM卡，即使更换手机仍可按同样身份使用。SIM卡是带有微处理器的芯片卡，内有5个模块，每个模块对应一个功能：CPU (8 位)、程序存储器ROM (6-16kbit)、工作存储器RAM (128-256kbit)、数据存储器EEPROM（2-8kbit）和串行通信单元，这5个模块集成在一块集成电路中。SIM卡在与手机连接时，最少需要5个连接线：*电源（Vcc）*时钟（C LK）*数据 I/Q 口（Data）*复位（RST）*接地端（GND）电源开关时，SIM卡电气性能为：当开启电源期间，按以下次序激活各触点：R

8、ST 低电平状态；Vcc加电；I/O 口处于接收状态；Vpp加电；提供稳定的时钟信号。当关闭电 源时，按如下次序工作：RST低电平状态；CLK低电平状态；Vpp去电；I/O 口低电平状态; Vcc掉电。第四节电源 供电电压VccSIM卡的供电电压应该如下表所示:标识最小最大单位Vcc4.55.5VIcc10mASIM卡所消耗的电压不能超过上表所示的电压范围。当SIM卡处在IDLE状态时，所消耗的电流不能超过200 口A （条件：1 MHz、25C）， REST（RST）手机在操作SIM卡时候RST电压范围如下表:标识条件最小最大VOHlOHmax = +20 口AVcc-0,7Vcc (not

9、e)VolOLmax = -200 口A0V (note)0,6VtR tFCout= Cin = 30 pF400 |jsNOTE: To allow for overshoot the voltage on RST shall remain between -0,3 V and Vcc+0,3 V during dynamic operation.一个卡有8个电接点，其中只有5个用于GSM phase2阶段（对于ISO卡有6个用于 phase1）。SIM卡由手机供电，电压范围位4.5至5V。在正常工作状态耗电约10mA，在守 候状态下总耗电不会超过200mA （带1MHz时钟）。为了减少耗

10、电，新开发的卡用3V供电。 最终5V卡被淘汰。时钟信号是由手机提供的；频率在1MHz至5MHz之间，典型值时3.579545MHz。一 个接点可以在终端和SIM卡之间交换数据，速率时时钟频率的1/372即典型值位9.6kb/s。 在phase2+中，速率将大大提高，在初始化期间可以选择。插脚可以通过手机使SIM卡初始化。在输入输出插角上，手机可以同时发送卡的结构。 手机和卡遵循一定的会话协议交流消息，不同的协议事实上对于卡来说是标准化了，多种特 性和字符相混杂是比较少见和复杂的，方向是模块化。第五节总线协议5. 1交流协议手机和SIM卡交流数据遵循ISO7816-3规范的“T=0”协议，它定义

11、了一批SIM卡。这 是一个简单的协议，它采用了带错误检测的字符异步发送，在出错时，借助于偶数位并立即 重复。会话总是发生在手机初始化时。最后发出命令，SIM卡回复这些命令。一条命令占开头5个字节，指令级别CLA确定了应用类型(A0值在GSM中是十六进制)；域INS给出指令；域P1和P2，必要时用来确定指令参数；域P3,给出长度、命令长度，或待回复长度。数据域可能在命令中表示。回复包含在尾部两个字节SW1和SW2(Status Word)中，它指示命令的成败。如果命令 不包括它们的话，也可能在数据域前面。码SW1 一般值在90和9F之间(十六进制，90意 味着正结算)，或60和6F之间，后者指出

12、应用中的问题。在拒绝执行命令的情况下，码SW2 一般确定原因(例如CHV未复原)。最靠左的字节总是首先发送。用“T=0”交流协议时，在两个方向上用一个回复命令是不行的。为了避免这个缺陷， 定义了一个特别的命令EGT RESPONSE。终端首先发出带接入数据的命令；卡通过SW1和 SW2运行，SW1取值9F，SW2给出要发送的数据长度，然后终端发出命令GET RESPONSE， 但无数据，从而使卡能发出其数据。5. 2安全特性SIM卡内有一定数量的安全字符。作为“跳蚤”卡，它具有一个密钥集，用以保障 不同介入者的个性安全(制造商、运营者)。SIM卡还有密钥和GSM专用的验证算 法，它用了 4至8

13、个数字密码，称之为CHV1和CHV2。CHV1码(Card Holder Verififccation1)用于用户身份。它常常在GSM的Phase1中使 用，以个人身份码PIN(Personal Identity Number)来表示。一个有缺陷的码在服务预订期内由 供应商负责。这个码可由使用者修改，使用者可以决定使用或者不使用CHV1功能。在CHV1 免激活功能不用的情况下，这个码在每次插入SIM卡或每次加电时要为用户申请。CHV2码(在Phase1中称为PIN2)指出了身份的附加部分，例如运营公司方面的信息。 如果网络运营者需要的话，他就可以使用CHV2码。这个码具有CHV1码相同的特征，

14、但 不能免激活。在CHV1和CHV2之间不存在任何等级关系。使用CHV1只授予了关于这个 码的功能，而不授予关于CHV2的功能，反之亦然。当使用者引入了一定次数的错码时，CHV(CHV1或CHV2)被阻塞。阻塞就是把SIM卡置于 禁止手机有任何激活的状态。只有通过CHV解阻塞密钥才可能解除CHV的阻塞。CHV1 和CHV2解阻塞密钥有8个数字，在Phase1中称为个人身份码解锁密钥PUK(PIN Unblocking Key)，在Phase2中称为解锁CHV。如果有一个错码进入，将给用户一个指示。在10次失 败后，解阻塞密钥在回路内封锁，即使连续试验，手机也处于关机状态。这样卡就完全无用 了。

15、5.3稳定性5.4差错控制在收到ATR （Answer to Reset）指令后，那些不遵循协议的信号，比如ATR强制信号 或所传输的字节太少，手机都将会执行复位，除非在手机接收到至少连续三个错误的 ATR指令后，手机才不会拒绝同SIM卡通信。第六节系统配置AA隹命令集数据接入指令好几个命令建立了 SIM卡的开发系统：-SELECT，它允许选择标有字头的文件，然后SIM卡在收到GET RESPONSE中指出 所选文件的状态（它可能是一个目录）；-STATUS,用它可以获得选用的通用文件的状态，这个中性命令为手机用来周期性查 询激活前的SIM卡，以便知道SIM卡是否要发出某个命令；-READ B

16、INARY和READ RECORD，由 SIM卡分别激励文件中记录的字节组发送；UPDATE BINARY和UPDATE RECORD,分别修改字节或通用文件中的记录；SEEK，搜索所选通用文件中的某字节序列（仅对于不透明文件）；INCREASE，可以周期性给初始文件加一些记录。与安全有关的指令好几个命令可以管理不同的通行字：VERIFY CHV，CHV1/2的检验（检验用户号码CHV1/运营者号码CHV2）；CHANGE CHV，修改 CHV1/2;DISABLE CHV，去激活 CHV1；ENABLE CHV，重新激活 CHV1；UNBLOCK CHV，释放 CHV1/2。有以下几个指令管

17、理着附加安全功能：INVALIDATE，取消某类文件，这类文件对READ命令而言已不值一读了；REHABILITATE 恢复一个文件；RUN GSM ALGORITHM，执行算法 A3。与会话有关的指令“T=0”协议是十分有限的，命令总是由终端引入的，而且不能双向交流数据。为了避 免这些缺陷，定义和使用了好几条指令，特别针对激活前的SIM卡：GET RESPONSE，询问包含有接入参数的前一命令的结果。这个命令是在9FXX完整回复后被使用，例如在 SELECT、INCREASE、SEEK 和 RUN GSM ALGORITHM；-ENVELOPE，在激活前的SIM卡中转移SIM卡应用数据（见1

18、2.5节）；-FETCH，询问SIM卡，以便它转移SIM应用命令；-TERMINAL RESPONSE,转移终端回复给SIM卡发出的预激活命令；-TERMINAL PROFILE，给SIM卡发送由终端支持的功能，引导SIM卡应用。预激活SIM卡当在一个GSM手机上可以引入激活时，这个SIM卡被叫做预激活。一个命令集在建议 11.14中被确定，并且在SIM卡应用项中被重新编组。1预激活命令交换的一般原则尽管预激活SIM卡能引入激活，但它总是停留在“T=0”协议方向的手机命令上。当 SIM卡想发送一个预激活命令时，它就通过91 （十六进制）位置的SW1字节标记它，任何 命令的正回复均如此。SIM卡

19、发的预激活命令总是被包装于“ T=0”协议层的回复中。这些回复由手机发送 FETCH命令后随即发送。通过TERMINAL RESPONSE “T=0”命令，手机回复了 SIM卡的 各种命令，在TERMINAL RESPDNSE命令中，它放置了必要的数据，或者指出命令失败。 手机保持有规律地查询SIM卡，为了知道它是否联动激活，可以使用命令STATUSo若干预激活命令引入会话中MORE TIME，使SIM卡在处理时间需要特别长时可以申请更多的时间，在手机激活 引起错误时，SIM卡也可申请更多的时间；POLL INTERVAL，可调整两个STATUS命令之间的最大间隔，STATUS命令是在守 候状

20、态由手机发出的；POLL OFF，取消先发出的所有POLL INTERVAL命令；REFRESH，允许SIM卡指出在应用过程中形状的可能变化。2向SIM卡转移短消息由于有短消息，所以网络可以与SIM卡会话。之所以短消息可以由网络向SIM卡转移， 是由于在传输层TL上有一个专用身份鉴别器。手机收到短消息后并不显示它，而是直接打 包在预激活命令 SMS-PP DOWNLOAD中发给SIM卡命令本身被打包于 SIM命令 ENVELOPE中。SIM卡执行完命令（正向或负向），手机发出一个消息RP-ACK （正或负） 给网络。短消息同样能够通过网络传送给在小区中的用户SIM卡。过程于点免计费发送相类似。

21、3用卡发送预激活命令SIM卡可以激活通信服务。在预激活命令SET UP CALL条件下可建立呼叫（或在手机未通信情况下单位建立，或 正在通信处于等待状态，或者中断后建立）、发送短消息和发送附加业务命令。好几个预激活命令允许SIM卡用屏幕和手机键盘来管理人机会话。SIM卡可以传送160 字符以下的短文并显示于手机屏幕上，显示可以是短暂的，也可以一直显示到用户自行删去； SIM卡同样也可以要求手机发出一定的音调，显示一个短文和置于字符显示等待状态，字符 可以是纯数字的，也可以是字母数字混合的，还可以是字符串。SIM卡同样能够通过预激活命令SET UP MENU向手机传送一个菜单和短文，供选项 用。

22、该菜单被手机纳入菜单集。当用户在菜单中作了一个有效的选择时，手机发出一个命令 ENVELOPE，该命令包含一个信息单元MENU SELECTION，它确定了选择。SIM卡启动 于预激活阶段并着手合适的激活。由于呼叫控制服务，在SIM卡的控制下安排呼叫集合是可能的。手机应该在释放呼叫 前有步骤地通知SIM卡，手机发出一个预激活命令CALL CONTROL （包装于ENVELOPE 命令中），它确定了被号码和支持的服务类型（等效于信息单元BEARER CAPABILITY）0 SIM卡应答，若呼叫被接受，应答为正，若指示号码更换或服务类型不同，应答为负。手机 应该与SIM卡的回复相一致。附加业务的

23、使用者可用相同方式激励SIM卡，SIM卡给出或 不同意所要求的服务。这样的功能允许考虑实现一种预付费SIM卡，当卡内不再有存款时， 所有呼叫被禁止。最后，SIM卡还可以向终端咨询本地信息，像所选的网络（移动业务国家号码MCC和 移动网编码MNC）、定位和小区指示以及手机的IMEI。这些数据在预激活SIM卡中的应用 程序，应该是必要的。第七节数据流类型7. 1 SIM卡数据的一般构成存储器的内部组成由SIM卡生产者来确定，不是由“规范”确定的。然而，外观数据 结构采取经营系统典型的分级树形结构。安全命令在接入方法和结构中均予以考虑。树根总是由主卡MF（Master File）组成，MF可以包括子

24、卡EF（Elementary File）或专用卡 DF（Dedicated File）。DF卡就是目录索引，它本身可以包括其他的DF卡或EF卡。整个卡片首先在2个字节上形成鉴别和附加信息，它附和由卡片制造者选择的插入信 息。第1个鉴别字节决定了卡片的类型（MF. DF、MF派生的EF），第2个字节确定了范围 内的联接方式。卡片EF包括了起始和内容。这内容可能就是一个记录，记录的长度在起始 中指示，或者是同样长度的记录的集合（记录数量和长度均在起始中确定）。在循环卡片中， 与线性卡片比较，后一个记录冲掉了较前的记录（即前一个记录或最前的记录）。每一个卡片联着一个接入等级，条件是输入一个通行字，这

25、样能保护读写数据。数据通道通过定点实现，在SIM卡的初始化中，定点在主目录中。通过一套控制，手 机能够改变定点值，同时保留原有等级，也可以下降或提升等级。当在基本EF卡片上定点 时，可以通过移位来读或写一个特殊的记录，也可以直接指示卡片的序列号码。另外的插入 可能性也存在，例如用好几个点取代一个定点。7. 2 SIM卡的数据结构SIM卡的根目录MF包含EF、卡片中的序列号、与通信服务有关信息编组目录（缩位 号码表、最后合成号码、收或发的最后一个短消息等）以及与GSM有关的数据目录（IMSI、 优先语言、优先序列的PLMN网表、定位范围等）。在SIM卡中存储的数据有不同的接入权限。可分为5个接入

26、等级：ALW（always）,数据可通行，即使没有任何通行字输入；CHV1，数据可通行，条件时通行字被免激活或者SIM卡中有通行字；-CHV2，数据可通行，条件时通行字CHV2在SIM卡中； ADM，数据可通行，已建立一套卡片的管理实体，也就是GSM运营者；-NEV，数据从未读出。对SIM卡而言，四种接入类型都是可能的：阅读、修改、作废、复原。对每套卡片， 每种类型都确定了接入等级。阅读和修改类型的接入等级是不同的。像SIM卡的序列号， 总是必读的（ALW级别），但决不会修改（NEV级别）。作废时允许卡片接入（读或写）， 复原即恢复通道。一般来说，为了阅读接入卡片都有CHV1级别，作废和复原级

27、别都是ADM。写通道少 应有内容的数据类型。7. 3在SIM卡中存储的信息表安全数据SIM卡中有安全数据和计数装置。然而，它们没有包括在12.3.2节所介绍的卡片结构 中，因为READ/WRITE类型（见12.4.3节）的输入输出命令不能让它们接入。这些数据如下：-CHV1用户个人通行字；-CHV1的激活或免激活指针；-CHV1的错误计数；-CHV1的解锁密钥；解锁密钥的错误计数；-Ki，用户鉴权密钥。GSM目录的强制性数据在根目录中，SIM卡的身份鉴别IC符合ITU-T的E,118建议。有关SIM卡的序列号时 鉴别服务提供者的，此域不可修改。好几个文件应强制性存在与GSM目录中，并应由SIM卡管理。下述文件明确了接续的 结构，并且只有在ADM级别上（即运营者）才能修改。管理信息，该参数允许好几个移动运算形式。例如运营者可以做一些网络测试用的SIM 卡；-SIM 卡 GSM 阶段的识别（Phase1，Phase2 或 Phase2+）；-IMSI,用户身份的国际同一性；接入控制级别，该