2019年作為5G元年，隨著中國(guó)5G牌照的發(fā)放，5G離我們的生活越來越近。眾所周知，要想體驗(yàn)5G速度，換支持5G的手機(jī)是必須的。

隨之而來的疑問是：之前從2G升到3G，聯(lián)通用戶需要換SIM卡，從3G到4G的時(shí)候，移動(dòng)和電信用戶也需要換SIM卡，SIM卡似乎和網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)配套使用的關(guān)系。

那么，在5G時(shí)代要不要接著換卡呢？

沒錯(cuò)，SIM卡就是這個(gè)小玩意

01

—

SIM卡內(nèi)部有什么玄機(jī)？

首先，我們來看看什么是SIM卡。

SIM卡的全稱是Subscriber Identity Module，也叫用戶識(shí)別模塊，是裝在手機(jī)之上用來識(shí)別用戶的，就像手機(jī)的身份證一樣，網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)通過了才允許手機(jī)接入。

別看SIM卡不起眼，實(shí)際上它還是一個(gè)帶有集成電路芯片的卡片，簡(jiǎn)稱ICC（Integrated Circuit Card）。從硬件上說，ICC應(yīng)該是它的正式名稱，SIM只是它實(shí)現(xiàn)的功能。

SIM卡雖小，但里面竟然集成了CPU，存儲(chǔ)（分為RAM，ROM，F(xiàn)lash，EEPROM幾種），輸入輸出單元等模塊，真是五臟俱全，大有乾坤。

SIM卡雖小，里面大有乾坤

我們使用手機(jī)和SIM卡時(shí)，實(shí)際上是手機(jī)向SIM卡發(fā)出了命令，SIM卡內(nèi)部根據(jù)相關(guān)協(xié)議來執(zhí)行運(yùn)算并反饋結(jié)果，并不是想象中只做單純的信息存儲(chǔ)器那么簡(jiǎn)單。

02

—

SIM卡里存放了哪些信息？

SIM卡里面的數(shù)據(jù)分為兩類：靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)一種是生產(chǎn)時(shí)永久寫入卡里的，另一種是運(yùn)營(yíng)商發(fā)卡時(shí)寫入的，一般不會(huì)變化。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)一種是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)更新的，另一種是用戶存入的通訊錄和短信等數(shù)據(jù)。

SIM里存儲(chǔ)的信息

主要的靜態(tài)數(shù)據(jù)分為下面這些：

1、SIM卡自身芯片的全球唯一識(shí)別序列碼 ICCID ( Integrated Circuit Card IDentifier)。

2、用戶識(shí)別信息：IMSI ( International Mobile Subscriber Identity)。

IMSI是由3位移動(dòng)國(guó)家碼，2位移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)碼，以及10位用戶識(shí)別碼這三部分組成。IMSI僅在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用，和用戶使用的手機(jī)號(hào)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3、鑒權(quán)密鑰Ki，以及用于鑒權(quán)加密的A3，A5和A8算法。在算法的作用下，生成并傳遞鑒權(quán)數(shù)據(jù)。鑒權(quán)是SIM的核心功能，在后面會(huì)詳細(xì)描述。

4、兩個(gè)密碼：PIN ( Personal Identification Number)，PUC ( Personal Unblocking Code)。

PIN用于保護(hù)SIM的使用安全，如果手機(jī)啟用了此功能，每次開機(jī)都要輸入PIN，連續(xù)輸入錯(cuò)誤3次SIM卡將被鎖住。

SIM卡鎖住了怎么辦呢？這就輪到PUC上場(chǎng)了。PUC是專用于給已鎖定的SIM卡解鎖的，但輸入的時(shí)候更要小心，如果連續(xù)輸入錯(cuò)誤10次的話，SIM卡將永久鎖定，相當(dāng)于報(bào)廢了。

5、運(yùn)營(yíng)商其他數(shù)據(jù)：運(yùn)營(yíng)商名稱SPN，接入點(diǎn)名稱APN，短消息中心號(hào)碼SMSC，其他服務(wù)號(hào)碼等等。

主要的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包含下面這些：

1、位置區(qū)標(biāo)識(shí)LAI (Location Area Identity)：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一般劃分為多個(gè)位置區(qū)，手機(jī)需要定時(shí)上報(bào)自己所在的位置區(qū)，讓網(wǎng)絡(luò)知道手機(jī)的位置，方便尋呼。

2、臨時(shí)移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)：為了保護(hù)IMSI信息，網(wǎng)絡(luò)會(huì)在手機(jī)接入之后分配一個(gè)臨時(shí)的標(biāo)識(shí)。

3、位置更新定時(shí)器T3212，頻點(diǎn)列表等輔助信息。

4、通信錄和短信等用戶數(shù)據(jù)。

03

—

SIM卡是怎樣給用戶鑒權(quán)的？

SIM卡相當(dāng)于每個(gè)用戶的身份證，其最主要的作用是給用戶鑒權(quán)，說白了就是網(wǎng)絡(luò)判斷用戶是不是系統(tǒng)登記過的合法用戶，只有鑒權(quán)通過才能接入網(wǎng)絡(luò)。

下面說下2G GSM的鑒權(quán)流程是怎樣工作的。

2G使用SIM的鑒權(quán)流程

上圖這個(gè)流程的前提是：SIM卡里面，核心網(wǎng)都存儲(chǔ)了同樣的鑒權(quán)密鑰Ki。

第一步，SIM卡給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送用戶的識(shí)別碼IMSI，申請(qǐng)接入網(wǎng)絡(luò)。

第二步，網(wǎng)絡(luò)先用IMSI，一個(gè)隨機(jī)數(shù)RAND和密鑰Ki算出一個(gè)序列值SRES，然后把這個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)給SIM卡，相當(dāng)于給SIM卡出了道題，讓SIM卡也做一下同樣的計(jì)算。

第三步，SIM卡算出結(jié)果SRES之后發(fā)給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)一看，和自己的計(jì)算結(jié)果一樣，就判斷這個(gè)SIM卡代表的用戶是合法用戶。具體流程比較復(fù)雜，上圖進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，并用紅色的“人話”做了翻譯。

這個(gè)流程有一個(gè)明顯的漏洞，就是只有網(wǎng)絡(luò)給用戶出題，判斷SIM卡代表的用戶是否合法，SIM卡并沒有去判斷網(wǎng)絡(luò)是否合法。這個(gè)就給了偽基站可乘之機(jī)。

偽基站可不會(huì)真的去做什么鑒權(quán)工作，直接鑒權(quán)通過，真實(shí)用戶又沒有識(shí)別對(duì)方是真基站還是偽基站的能力，只得落入陷阱任人宰割。

偽基站詐騙

到了3G時(shí)代，為了提高安全等級(jí)，引入了雙向鑒權(quán)機(jī)制，也就是不但網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)，用戶也對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)，只有雙方都確認(rèn)對(duì)方合法之后通信才會(huì)進(jìn)行。

為了支持雙向鑒權(quán)，SIM卡也升級(jí)成為了USIM (Universal Subscriber Identity Module)卡。

USIM和SIM有什么不同呢？

1、硬件平臺(tái)升級(jí)為UICC (Universal integrated circuit card)，區(qū)別于SIM的硬件ICC。

2、UICC在軟件上可支持SIM (用于GSM)和USIM (用于3G及更先進(jìn)技術(shù))等多個(gè)應(yīng)用，因此也叫USIM復(fù)合卡。也就是說，一般USIM卡內(nèi)部是兼容2G SIM卡的。

3、USIM內(nèi)存儲(chǔ)的是鑒權(quán)密鑰K，支持支持雙向鑒權(quán)及更長(zhǎng)的秘鑰，以及更新的鑒權(quán)加密算法，安全性更高。

4、USIM可以存儲(chǔ)彩信和更多的通信錄。

鑒權(quán)機(jī)制的升級(jí)是引入U(xiǎn)SIM卡最重要的目標(biāo)，我們通過下圖來看看3G的鑒權(quán)流程和2G有什么不同。

3G使用USIM的鑒權(quán)流程

首先，第一步是類似的，都是給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送用戶的識(shí)別碼IMSI，申請(qǐng)接入網(wǎng)絡(luò)。

第二步，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計(jì)算之后，把兩個(gè)值：隨機(jī)數(shù)RAND和網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)令牌AUTH發(fā)給USIM卡。 這一步比2G多發(fā)的AUTH就是讓USIM用來對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)的。

第三步，USIM通過AUTH來對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)，如果鑒權(quán)通過，則把用隨機(jī)數(shù)RAND計(jì)算出的結(jié)果RES發(fā)給網(wǎng)絡(luò)。

最后，網(wǎng)絡(luò)把對(duì)USIM發(fā)來的RES和自己之前計(jì)算的結(jié)果XRES一比較，如果一樣就鑒權(quán)通過。具體流程比較復(fù)雜，上圖進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，并用紅色的“人話”做了翻譯。

這一套流程下來，就實(shí)現(xiàn)了USIM和網(wǎng)絡(luò)的雙向鑒權(quán)，安全性大為提高，偽基站就毫無(wú)從中作梗的機(jī)會(huì)了。

4G的鑒權(quán)流程和3G非常類似，僅細(xì)節(jié)稍有不同，但對(duì)USIM卡的要求是相同的。

4G使用USIM的鑒權(quán)流程

在部署5G時(shí)，如果采用非獨(dú)立組網(wǎng) (NSA) 形式，用戶面完全由4G承擔(dān)，因此鑒權(quán)流程就完全和4G是一樣的。如果采用獨(dú)立組網(wǎng)形式，鑒權(quán)流程也是和4G類似的。

由此可見，從4G升級(jí)到5G，只要4G用的是USIM卡，就完全可以支持5G鑒權(quán)，不需要再換卡。

04

—

為什么2G升3G/4G要換卡，而升5G不用換？

實(shí)際上，4G網(wǎng)絡(luò)由于不支持2G時(shí)代老舊的SIM卡，在從2G和3G往4G升級(jí)的過程中，大家都已經(jīng)把SIM卡換成USIM卡了。

當(dāng)然，移動(dòng)，聯(lián)通和電信的在從2G升級(jí)到3G和4G的選擇不同，中間經(jīng)歷的換卡的過程也是不同的。

中國(guó)移動(dòng)的3G網(wǎng)絡(luò) TD-SCDMA 使用簡(jiǎn)化流程鑒權(quán)，因此老用戶不需要換 USIM 卡也能接入網(wǎng)絡(luò)。然而到了4G時(shí)代，由于LTE 網(wǎng)絡(luò)不允許按照2G GSM 的方式鑒權(quán)，所以幾乎所有移動(dòng)用戶在升級(jí)4G時(shí)需要換卡。

中國(guó)聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)WCDMA使用了新的鑒權(quán)流程，因此從2G GSM 到 3G 必須換成 USIM 卡，而從3G到4G就不再需要換卡了。

中國(guó)電信就要復(fù)雜一些，其2G是CDMA 網(wǎng)絡(luò)，3G是CDMA2000，在技術(shù)上自成一體，和移動(dòng)聯(lián)通的2G GSM，3G WCDMA和TD-SCDMA 在鑒權(quán)上是完全不同的。

并且，電信的 CDMA的手機(jī)卡也不叫SIM卡，而是稱為UIM卡或R-UIM卡，其數(shù)據(jù)格式跟移動(dòng)和聯(lián)通的 SIM卡或者USIM卡也不相同。

到了4G時(shí)代，電信和移動(dòng)聯(lián)通殊途同歸，都部署的是LTE網(wǎng)絡(luò)，需要升級(jí)成USIM卡并同時(shí)兼容CDMA。因此，電信用戶從3G升級(jí)到4G必須換卡。

三大運(yùn)營(yíng)商經(jīng)過了從2G升級(jí)到3G和4G這一過程，其用戶都已升級(jí)為USIM卡，因此在5G階段就無(wú)須再換卡了。

各運(yùn)營(yíng)商的換卡路徑