Из чего состоит и как устроена сим-карта, принцип работы

Введение

Разработчики М2М-устройств постоянно ищут пути улучшения потребительских качеств своих изделий, таких как габаритные размеры, диапазон рабочих температур, надежность, простота применения и проч. Это становится возможным во многом благодаря усовершенствованию электронной элементной базы.

Данный процесс не обошел стороной и SIM-карты (Subscriber Identification Module — модуль идентификации абонента), применяемые во всех GSM-устройствах. Привычные SIM-карты стали недавно доступны в новом форм-факторе — в виде микросхем в миниатюрном корпусе VQFN-8.

Такие SIM-карты правильнее называть SIM-чипами [1]. Появление SIM-чипов на рынке электронных компонентов в свободной продаже открыло новые возможности для индустрии GSM-устройств, таких как транспортно-мониторинговые и охранные системы, телекоммуникационное и торгово-кассовое оборудование, медицинские приборы и телеметрические комплексы.

Правда, что sim-карта может размагнититься?

Нет. Хотя операторы любят эту сказку.

Симка – это компьютер в миниатюре, печатная плата с контактами. У неё есть процессор, оперативная и постоянная память, вспомогательные элементы.

Но размагничиваться там нечему. Вы же не можете размагнитить процессор в компьютере или в смартфоне, правда?

Попробуйте, конечно, а вдруг.

А вот повредить SIM-карту можно. Например, если погнуть или намочить и толком не высушить.

Теоретически карта может выйти из строя из-за статического напряжения. Если тереть её об синтетический костюм, например. Но зачем?

Наконец, у любого чипа памяти есть ресурс циклов перезаписи. В определенный момент ячейки памяти просто перестанут менять состояние.

Но всё это не связано с размагничиванием. Вообще никак.

Esim, что это такое?

ESIM представляет собой микро-чип, встраивающийся в смартфон. Он способен хранить информацию, как SIM-карта. Чтобы подсоединить eSIM к мобильной сети, вы должны запросить пакет персональных данных у оператора, и сохранить их в смартфоне.

Микро-чип имеет ряд преимуществ:

1. Экономит место внутри девайса.
2. Не требует отверстия под установку.
3. Гораздо легче оградить устройство от попадания пыли и влаги.
4. Для смены оператора не надо обращаться в сервис, достаточно сменить настройки.
5. Можно пользоваться услугами нескольких операторов.

ESIM относится к совершенно новому поколению, однако далеко не все устройства оснащены этой функцией. Существует список стран, где eSIM запрещены законом.

Почему sim-карта не ломается, если её обрезать?

Потому что обрезаете вы пластик, а чип и контактная площадка остаются на месте.

Обычно SIM-карты обрезают специальным резаком, похожим на степлер. Если криво положить в него карту, можно задеть контакты или чип.

Самое сложное – обрезать симку до размера nanoSIM. Уголок там отрезается практически «по-живому». Повредить чип очень легко, особенно если резать ножницами или ножом для гипсокартона.

Проще взять в салоне оператора новую симку нужного размера со старым номером. Только паспорт или доверенность не забудьте.

Цена замены зависит от оператора. У Билайна это стоит 30 рублей, у Мегафона бесплатно, у Tele2 тоже, как и у МТС.

Sim-карты — функции и особенности

Sim-чип — выбор m2m

SIM-чипы (рис. 1) соответствуют стандарту ETSI TS 102.671 [2] и предназначены для монтажа непосредственно на печатную плату методом пайки. Функционально SIM-чип ничем не отличается от обычной SIM-карты (рис. 2) и имеет такое же назначение — идентификация GSM-устройства в сотовой GSM/UMTS-сети оператора для доступа к услугам голосовой связи, SMS и передачи цифровых данных посредством технологий GPRS или CSD.

Исторически так сложилось, что для идентификации GSM-устройства в сети изначально применялись SIM-карты на пластиковой основе размером с кредитную карту (86×54 мм), которые нужно было вручную вставлять в мобильный телефон. В процессе популяризации сотовой связи и с появлением все более компактных мобильных телефонов SIM-карта только уменьшилась в размере (25×15 мм), по-прежнему оставаясь пластиковой (рис. 2).

Рис. 1. Внешний вид SIM-чипа (5×6 мм)

По сей день SIM-карта является отдельным устройством и распространяется операторами сотовой связи как услуга, которая ориентирована прежде всего на массовый, бытовой рынок сбыта. Не секрет, что технические требования к бытовым приборам гораздо мягче, чем требования, которые предъявляются к приборам индустриального назначения.

Рис. 2. Внешний вид SIM-карты

Надо обратить внимание на то, что один SIM-чип может работать в сети только одного оператора. «Переключить» его с одного оператора на другой нельзя. Чтобы устройство могло работать в сети нескольких операторов, в нем должно быть необходимое количество чипов соответствующих операторов.

Smart card (sim card) pinout

Please note that there are great variations in connector shape:

Image from Wikipedia:

The dialogue between the interface device and the the card shall be conducted through the consecutive operations:

• connection and activation of the contacts by the interface device
• reset of the card
• answer to reset by the card
• subsequent information exchange between the card and the interface device
• deactivation of the contacts by the interface device

Interfacing smart card isn’t a simple task. Here is the Smart card to PC interface adapter cable scheme.

Бонус-лайфхак: как установить sim-карту и microsd в один слот

Контакты SIM-карт и microSD в слотах современных смартфонов никак друг друга не перекрывают. Но слот считается гибридным: производители советуют устанавливать либо две «симки», либо карту памяти.

Умельцы нашли, как это обойти. Всё достаточно просто:

1. Стачиваете карту microSD напильником или наждаком, чтобы она стала потоньше.

2. Аккуратно нагреваете пластиковую часть nanoSIM феном и параллельно пинцетом отклеиваете чип.

3. Приклеиваете чип на карту со стороны контактов, осторожно отрезаете всё лишнее. Можно использовать клей по пластику или тонкий двусторонний скотч.

4. Вставляете комбинированную карту в лоток.

Процедура несложная, но с первого раза может не получиться. Потренируйтесь на старых картах, чтобы не испортить основные.

Будущее сим карты

Большой тройкой операторов уже выпускаются специальные sim-карты с NFC, позволяющие безопасно осуществлять платежи прямо с баланса мобильного телефона по бесконтактной связи. Чтобы получить такую сим карту нужно обратиться в салон связи оператора и изъявить желание приобрести сим-карту с поддержкой NFC. 

Внедрение технологии eSIM или говоря по-русски встроенный модуль идентификации абонента. Это чип (embedded SIM – встроенная SIM), который установлен внутри смартфона или другого устройства. На него можно записать ту же информацию, что и на обычную симку. 

Работает это примерно так, вы покупаете тарифный план и на ваше устройство по сети прошиваются необходимые идентификаторы. eSIM экономит место внутри смартфона. Чип можно установить где угодно, а раз доставать его не нужно, то и отверстия под «скрепку» в корпусе не будет, следовательно проще организовать защиту от пыли и влаги. 

eSIM будут работать с облачным хранилищем очень быстрым супер безопасным и удобным, а еще это будет беспроигрышная ситуация для производителей, меньше трат на распространение и установку, улучшенный дизайн и больше физического места на устройстве.

Несмотря на то, что в большинстве смартфонов мы все еще находим слот для Nano-SIM, крупные компании, включая Google и Apple, уже интегрировали eSIM в свои устройства. eSIM уже была интегрирована в Apple Watch 3 и Pixel 2 с Pixel 2XL. 

Но вот операторы не спешат внедрять эту услугу. О eSIM заговорили, когда Apple выпустила iPhone XS/XR/XS Max. До этого встроенные симки использовали в умных часах Samsung Gear S2 3G 2022 года и в Apple Watch 3/4. Получил поддержку eSIM и смартфон Google Pixel 2. 

Проблема в том, что не все операторы поддерживают технологию. А в некоторых странах (включая РФ) eSIM вообще вне закона. 

• Во-первых, запись данных на eSIM приравнивается к копированию симки. Это мошенничество. 
• Во-вторых, с eSIM вы можете перейти к новому оператору, не уведомив прошлого. Это нарушение условий договора. 

В общем, пока eSIM можно пользоваться только в отдельных странах. И далеко не у всех операторов. Как Вы думаете, когда операторы внедрят технологию eSIM и внедрят ли вообще? Напишите в комментариях.

Быстрый старт

Поскольку SIM-чипы теперь можно отнести к разряду электронных компонент, их стало возможным приобретать и у официального партнера оператора сотовой связи. «МТ-Систем» [4], один из крупнейших поставщиков радиоэлектронных компонентов в России и СНГ, является единственной компанией, официально поставляющей SIM-чипы [5, 6] на российский рынок электроники.

Для быстрого тестирования SIM-чипов «МТ-Систем» предлагает разработчикам переходные платы «SIM-чип–адаптер», по форме и размерам схожие с SIM-картами (рис. 6). Переходная плата с напаянным на нее SIM-чипом встает в большинство держателей SIM-карт и не задевает элементов держателя.

Рис. 6. Переходная плата «SIM-чип–адаптер»

Достоинства sim-чипа

В устройствах индустриального назначения применение SIM-чипов вместо SIM-карт является наиболее верным техническим решением ввиду их более совершенных тактико-технических характеристик. Преимущества SIM-чипов перед SIM-картами очевидны:

• габаритные размеры 5×6 мм;
• монтаж методом пайки;
• диапазон рабочих температур –40… 105 °С;
• срок службы 13 лет;
• отсутствие счетчика перерегистраций.

Надо отметить, что плюсы SIM-чипов определили то, что именно они числятся в обязательных технических требованиях автомобильной системы «ЭРА-ГЛОНАСС» [3]. Обычная SIM-карта не удовлетворяет жестким требованиям к терминалам системы экстренного реагирования на аварии и не может применяться в автомобильных терминалах этой системы.

GSM-устройство с SIM-чипом принципиально отличается от аналогичного устройства с SIM-картой: оно более компактно; способно работать в индустриальном диапазоне температур (–40… 85 °С) в условиях сильной вибрации и высокой влажности; не боится ударов. Кроме того, в корпусе нет отверстия для держателя SIM-карты, а значит, устройство влагонепроницаемо и, что немаловажно, вандалоустойчиво — из него невозможно изъять SIM-чип, чтобы вставить в стандартный слот мобильного телефона, что исключает возможность нецелевого расхода трафика.

Доступ sim-чипа к услугам сотовой связи

Процесс замены SIM-карт на SIM-чипы — это новое направление на российском рынке М2М-электроники, пришедшее с Запада. На сегодня все крупные российские операторы сотовой связи уже освоили работу с ними и готовы осуществлять подключение SIM-чипов, вмонтированных в любое GSM-устройство.

Жизненный цикл устройства, в котором применяется SIM-чип, можно разделить на две части — до реализации и после реализации устройства конечному потребителю. С момента монтажа чипа на печатную плату до реализации устройство не имеет доступа к услугам сотовой связи, так как за SIM-чипом не закреплен его собственник. SIM-чип находится в предактивированном состоянии.

После приобретения устройства с SIM-чипом его собственнику лицу, отвечающему за оплату расходов по трафику, — необходимо обратиться к оператору сотовой связи для заключения абонентского договора. Если контракт с оператором уже подписан, допускается работать с SIM-чипами в рамках текущего договора.

Основанием для заключения абонентского договора на такое устройство являются заявление, пакет документов и номер (а) ICCID (Integrated Circuit Card ID — уникальный идентификационный номер SIM-чипа). Важно, чтобы на корпусе и упаковке GSM-устройства этот номер был промаркирован в явном виде, чтобы его можно было легко прочитать. Желательно, чтобы этот номер дублировался штрих-кодом, чтобы упростить учет при массовом производстве.

Правильность заявляемого номера ICCID проверяется оператором на момент заключения абонентского договора. Номер ICCID считается правильным, если последняя цифра (контрольная сумма) совпадает с контрольной суммой, рассчитанной по алгоритму Луна на основе первых цифр номера ICCID.

Остается технический вопрос. Как получить ICCID? В процессе производства GSM-устройства. GSM-модуль, входящий в состав устройства, во включенном состоянии может прочитать ICCID в цифровом формате при помощи АТ-команды, поданной со стороны микропроцессора.

Российские операторы сотовой связи для своих абонентов (юридические лица) допускают электронный документооборот для упрощения и ускорения процесса подключения вновь приобретенных устройств с SIM-чипами.

Из чего состоит сим-карта

Это один из видов процессорных карт. Она нужна для идентификации пользователя, подтверждает его право на получение услуг. Это переносной носитель для контракта.

Рабочий электронный компонент заключён в прочный тонкий корпус из ПВХ, размер которого постепенно уменьшался с развитием технологий – для экономии места внутри смартфона. Размер электронного модуля практически остался прежним.

Снаружи на электронном модуле находится металлическая пластина с контактами. Количество контактов и их рисунок у разных производителей не одинаковы. Через эти контакты осуществляется питание рабочих компонентов сим-карты, подаются команды управления, происходит ввод и вывод данных.

Металлические контакты портятся и окисляются под воздействием кожного жира, поэтому желательно не прикасаться к ним руками. Если причина неполадок в работе карточки – засорение контактов, можно аккуратно очистить их ластиком и протереть спиртом.

Внутреннее устройство – это компьютер в миниатюре. Сходство заключается в наборе функциональных элементов и принципе работы.

Главные элементы сим-карты:

• процессор;
• оперативная память;
• постоянная память – здесь хранится операционная система;
• память с файловой системой для хранения информации пользователей;
• контроллер ввода и вывода данных.

Однако, человек напрямую воспользоваться этим компьютером не сможет. В нём отсутствуют элементы интерфейса. Обращение к процессору и памяти происходит средствами мобильного телефона. Питание блоков памяти, процессора и генератора тактовой частоты также обеспечивается его аккумуляторной батареей.

Интеграция sim-чипа в устройство

Разработчику GSM-устройства не потребуется много времени, чтобы разобраться, как подключить SIM-чип к GSM-модулю. Чип, как и SIM-карта, имеет контакты VСС, I/O, RST, CLK и GND, и схема его подключения почти ничем не отличается от схемы подключения SIM-карт (рис. 3), за одним исключением: надобность в защитном диоде в случае с SIM-чипами отпадает, поскольку исключается вероятность поражения линий статическим электричеством.

Рис. 3. Схема подключения SIM-чипа к GSM-модулю

Благодаря идентичности SIM-чипов и SIM-карт допускается подключение к одному GSM-модулю SIM-чипа в комбинации с SIM-картой. При этом разработчик устройства должен обеспечить грамотное мультиплексирование между модулями идентификации.

Рис. 4. Габаритные размеры SIM-чипа VQFN-8

Если электрическую схему разработчику редактировать почти не придется, то рисунок печатной платы значительно изменится — на ней освободится много места. SIM-чип выполнен в форм-факторе VQFN-8 и занимает на печатной плате всего 30 мм 2 (рис. 4). Распиновка микросхемы стандартная, она приведена на рис. 5.

Рис. 5. Распиновка SIM-чипа

Как клонируют sim-карты?

Изначально SIM-карты клонировали, чтобы с одного смартфона пользоваться несколькими телефонными номерами. Данные карт объединяли в MultiSIM – карту с увеличенным объемом памяти. Доступ к следующему номеру можно было получить после имитации перезагрузки смартфона.

Позднее, когда банки и платежные сервисы стали привязывать аккаунты к мобильным номерам, клонированием заинтересовались мошенники. Когда клон заходил в сеть, оригинальная SIM-карта теряла связь.

Все звонки и сообщения поступали на номер-клон. Это позволяло перехватывать доступ к аккаунтам, мобильному банкингу и др. Клон действовал до обновления регистрации оригинального номера в сети.

Операторы пресекли эту схему. Чаще всего защита срабатывает, если SIM-карта заново регистрируется достаточно далеко от предыдущего места входа в сеть.

Вот здесь мы рассказывали, как угоняют SIM-карты и крадут деньги, запрашивая дубликат карты у оператора. Если сделать клон, возможности те же самые.

Как мошенники воруют личную информацию с sim-карт?

Для воровства информации или клонирования карты используют специальные приспособления. Легальные устройства не позволяют злоумышленникам получить личные данные или скопировать абонента.

Процессор работает напрямую с ключом KI. Он имеет защиту от чтения, но при осуществлении несложных операций, мошенник сможет его взломать достаточно быстро. Это касается SIM-карт старых поколений, обновленные варианты обладают более серьезной защитой. Злоумышленнику придется серьезно постараться, чтобы добраться к личной информации пользователя.

Если вы планируете приобрести сканер или клонер для SIM-карт, который способен справится с ключами различной сложности, это ложь. Вы не только зря потратите деньги, но и рискуете получить вирус.

Как преступники крадут данные с sim-карты?

Чтобы получить данные с карты, используются SIM-сканеры или SIM-клонеры. Купить их можно за 150 рублей или даже дешевле.

Более-менее легальные сканеры не считывают KI, чтобы не позволить мошенникам клонировать SIM-карту и с её помощью взламывать аккаунты. Фактически процессор SIM-карты работает с KI непосредственно, и передавать идентификатор во внешнюю сеть не нужно.

KI хранится в области памяти, защищенной от чтения. Но если многократно запускать на сканере алгоритм A3 и вводить случайный пароль RAND, то криптографические методы анализа ответа SRES позволят вычислить KI. Занимает это менее минуты.

Впрочем, в SIM-картах есть своеобразный таймер самоуничтожения. После определенного количества запусков алгоритма А3 процессор SIM-карты перестает вычислять SRES и вообще реагировать за запросы.

Но криптометоды эффективно работают только со старыми версиями алгоритма A3 – COMP128v1. Операторы используют его крайне редко. COMP128v2 и COMP128v3 просто не позволят вычислить RAND-SRES и KI. По крайней мере, быстро и наверняка.

Как производят сим карты

Крупнейший производитель сим карт в мире компания Gemalto со штаб-квартирой в Амстердаме и 15 тысячами сотрудников. Сейчас они работают над массовым производством симок для сети 5G. 

Изготовление первых симок стоило больше $1 за штуку, сегодня они стоят в основном по несколько центов, но эта цена не включает дизайн, разработку, установку чипов в пластиковые карты и доставку.

Как происходит процесс разработки?

1. Первым делом производят чип. Среди самых известных производителей – Samsung, STMicroelectronics, Infineon. 
2. Затем чипы помещают на контактные площадки – выполняют сборку. Получается лента. 
3. После этого модули извлекают из лент и крепят на пластиковую основу. 
4. Затем на каждый модуль загружают операционную систему и необходимые приложения. 
5. Финальный шаг – прошивка уникальных данных для каждой карты. Это ICCID и PIN-коды, ключи, идентификаторы и тд.

Можно ли отследить местоположение с помощью sim-карты

Вы сможете найти телефон в случае потери или кражи, а еще это полезно если теряется ребенок или пожилой человек и так симка действительно может помочь установить ваше местоположение. 

Но только тогда, когда вы вставляете sim-карту в телефон и включите устройство. Она начинает подключаться к мобильным вышкам, чтобы поймать сигнал. По мере движения, симка ловит ближайшие вышки, чтобы обеспечить лучший сигнал. У каждой вышки есть определенное место положение, когда телефонные компании или полиция использует алгоритмы для определения силы сигнала от той или иной вышки это помогает значительно сузить зону поиска. 

Сервисы вроде поиск телефона для определения более точного местоположения использует еще и вай-фай конечно это сработает только если у вас на устройстве вай фай включен добавьте к этому информацию с gps и получатся точные данные о местонахождении любого устройства в реальном времени. 

GPS поможет только в том случае, если у вас включен мобильный интернет, так что если хотите полной конфиденциальности выключите и его и вайфай и отследить вас только по симки будет сложной задачкой.

Память

Несмотря на скромный размер всего 64 килобайта она способна хранить около 250 контактов и немного сообщений. Память делится на секторы.В одном секторе хранится пользовательская информация — это могут быть sms, журналы вызовов или контакты. 

Самый важный сектор хранит в себе техническую информацию необходимую для идентификации абонента в сети оператора.IMSI International Mobile Subscriber Identity — это последовательность цифр, которая не только идентифицирует конкретную sim карту и ее пользователя, но и указывает, какой это оператор, из какой он страны.

Разновидности sim-карт

Первые SIM-карты появились в 1991 году, тогда их размер был невероятно огромный и напоминал кредитную карточку. Спустя пять лет размер «симки» существенно уменьшился, так на свет появилась стандартная SIM-карта. Если сравнивать с предыдущей, новая «симка» относилась к категории «мини». Данное устройство способно поддерживать 2G и 3G.

В 2003 году корпорация Apple презентовала новый Iphone 4 и третье поколение модуля мобильной связи MicroSIM. Она значительно отличалась по размерам от своего предшественника, что сделало ее более удобной в эксплуатации.

На этом яблочная компания не остановилась и в 2022 году продемонстрировала новое поколение SIM-карт. NanoSIM стала еще меньше и тоньше, чем MicroSIM. Специалисты признали последнее поколение SIM-карт самым удобным. Первый девайс, который предназначен под такую «симку» — Iphone 5.

Заключение

Для рынка М2М применение GSM-технологии стало весьма удачным направлением: все системы мониторинга автотранспорта и подвижных объектов основаны на услуге пакетной передачи данных GPRS и сервиса коротких сообщений SMS; системы телеметрии удаленных объектов ЖКХ применяют технологии CSD/GPRS; в охранных системах посредством UMTS или CSD 64 kbps в онлайновом режиме передаются видеопотоки с камер наблюдения.

Широкий выбор сервисов, предоставляемых операторами сотовой связи, породил множество производных услуг и технических решений. Но все же, несмотря на развитые потребительские качества любого GSM-устройства, пластиковая SIM-карта остается его слабым звеном, поскольку рассчитывалась для применения в бытовых приборах и не гарантирует работоспособность при низких или высоких температурах, постоянных вибрациях, сильных ударах и высокой влажности окружающей среды.