2019年作為5G元年，隨著中國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。
中興5G手機(jī)
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的時候，移動和電信用戶也需要換SIM卡，SIM卡似乎和網(wǎng)絡(luò)有一個配套使用的關(guān)系。
那么，在5G時代要不要接著換卡呢?
沒錯，SIM卡就是這個小玩意
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，也叫用戶識別模塊，是裝在手機(jī)之上用來識別用戶的，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)際上它還是一個帶有集成電路芯片的卡片，簡稱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(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，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器那么簡單。
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)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)一種是生產(chǎn)時永久寫入卡里的，另一種是運(yùn)營商發(fā)卡時寫入的，一般不會變化。動態(tài)數(shù)據(jù)一種是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(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別序列碼 ICCID?( Integrated Circuit Card IDentifier)。
2、用戶識別信息：IMSI( International Mobile Subscriber Identity)。
IMSI是由3位移動國家碼，2位移動網(wǎng)絡(luò)碼，以及10位用戶識別碼這三部分組成。IMSI僅在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用，和用戶使用的手機(jī)號有一一對應(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，在后面會詳細(xì)描述。
4、兩個密碼：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上場了。PUC是專用于給已鎖定的SIM卡解鎖的，但輸入的時候更要小心，如果連續(xù)輸入錯誤10次的話，SIM卡將永久鎖定，相當(dāng)于報廢了。
5、運(yùn)營商其他數(shù)據(jù)：運(yùn)營商名稱SPN，接入點(diǎn)名稱APN，短消息中心號碼SMSC，其他服務(wù)號碼等等。
主要的動態(tài)數(shù)據(jù)包含下面這些：
1、位置區(qū)標(biāo)識LAI?(Location Area Identity)：移動網(wǎng)絡(luò)一般劃分為多個位置區(qū)，手機(jī)需要定時上報自己所在的位置區(qū)，讓網(wǎng)絡(luò)知道手機(jī)的位置，方便尋呼。
2、臨時移動用戶標(biāo)識TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)：為了保護(hù)IMSI信息，網(wǎng)絡(luò)會在手機(jī)接入之后分配一個臨時的標(biāo)識。
3、位置更新定時器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)。
SIM卡是怎樣給用戶鑒權(quán)的?
SIM卡相當(dāng)于每個用戶的身份證，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
上圖這個流程的前提是：SIM卡里面，核心網(wǎng)都存儲了同樣的鑒權(quán)密鑰Ki。
第一步，SIM卡給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送用戶的識別碼IMSI，申請接入網(wǎng)絡(luò)。
第二步，網(wǎng)絡(luò)先用IMSI，一個隨機(jī)數(shù)RAND和密鑰Ki算出一個序列值SRES，然后把這個隨機(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)行了大量的簡化，并用紅色的“人話”做了翻譯。
這個流程有一個明顯的漏洞，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。這個就給了偽基站可乘之機(jī)。
偽基站可不會真的去做什么鑒權(quán)工作，直接鑒權(quán)通過，真實(shí)用戶又沒有識別對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時代，為了提高安全等級，引入了雙向鑒權(quán)機(jī)制，也就是不但網(wǎng)絡(luò)對用戶進(jìn)行鑒權(quán)，用戶也對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)，只有雙方都確認(rèn)對方合法之后通信才會進(jìn)行。
為了支持雙向鑒權(quán)，SIM卡也升級成為了USIM (Universal Subscriber Identity Module)卡。
USIM和SIM有什么不同呢?
1、硬件平臺升級為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)存儲的是鑒權(quán)密鑰K，支持支持雙向鑒權(quán)及更長的秘鑰，以及更新的鑒權(quán)加密算法，安全性更高。
4、USIM可以存儲彩信和更多的通信錄。
鑒權(quán)機(jī)制的升級是引入USIM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)送用戶的識別碼IMSI，申請接入網(wǎng)絡(luò)。
第二步，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計(jì)算之后，把兩個值：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用來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)的。
第三步，USIM通過AUTH來對網(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，偽基站就毫無從中作梗的機(jī)會了。
4G的鑒權(quán)流程和3G非常類似，僅細(xì)節(jié)稍有不同，但對USIM卡的要求是相同的。
4G使用USIM的鑒權(quán)流程
在部署5G時，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。
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時代老舊的SIM卡，在從2G和3G往4G升級的過程中，大家都已經(jīng)把SIM卡換成USIM卡了。
當(dāng)然，移動，聯(lián)通和電信的在從2G升級到3G和4G的選擇不同，中間經(jīng)歷的換卡的過程也是不同的。
中國移動的3G網(wǎng)絡(luò) TD-SCDMA 使用簡化流程鑒權(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)，所以幾乎所有移動用戶在升級4G時需要換卡。
中國聯(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)格式跟移動和聯(lián)通的 SIM卡或者USIM卡也不相同。
到了4G時代，電信和移動聯(lián)通殊途同歸，都部署的是LTE網(wǎng)絡(luò)，需要升級成USIM卡并同時兼容CDMA。因此，電信用戶從3G升級到4G必須換卡。
三大運(yùn)營商經(jīng)過了從2G升級到3G和4G這一過程，其用戶都已升級為USIM卡，因此在5G階段就無須再換卡了。
