Techbox: jak funguje SIM karta, srdce každého telefonu?

Tento článek je prvním dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

SIM karty jsou od počátku spojeny se standardem GSM, přestože jsou ještě o něco starší. S podobnými čipovými kartami jsme se totiž mohli setkat již ve starší německé analogové mobilní síti C-Netz. Jejich pravá chvíle ale přichází až na počátku 90. let 90. let, kdy se rodily první specifikace digitálního standardu GSM. První skutečné SIM karty vyrobil v roce 1991 mnichovský výrobce chytrých karet Giesecke & Devrient. Jeho prvním zákazníkem byl finský mobilní operátor Radiolinja, který si objednal v první várce 300 kusů.

SIM umožnily masové rozšíření mobilů

Standard GSM měl nahradit tehdy používané analogové sítě. Problémem těchto analogových sítí byla především nejednotnost systémů v různých zemích a neexistence roamingových smluv. V praxi to znamenalo, že se svým mobilním telefonem jste si zavolali pouze v jedné nebo několika málo zemích. Proto Evropský ústav pro telekomunikační normy (ETSI), který stojí za standardem GSM, hledal způsob, jak vytvořit skutečně celosvětový systém a umožnit masovou výrobu mobilních telefonů. Zde je ta pravá chvíle pro SIM karty. Jejich rolí v GSM sítí od počátku bylo a stále je identifikace účastníka v mobilní síti. Tomu napovídá už samotný název karty. SIM je totiž zkratkou anglického Subscriber Identification Module, česky tedy identifikační modul účastníka. Skutečnost, že SIM karta je svázaná s uživatelským účtem daného telefonního účastníka a má v sobě uloženy všechny ověřovací informace, nám umožňuje vzít SIM kartu ze stávajícího telefonu a vložit jí do nového, aniž bychom si museli někde registrovat konkrétní zařízení ke svému účtu.

Těmi nejdůležitějšími informacemi, které SIM karta obsahuje, a bez kterých byste se nepřipojili do žádné mobilní sítě, jsou dvě čísla. V první řadě se jedná o unikátní patnáctimístné číslo IMSI (International Mobile Subscriber Identity, čili česky mezinárodní identifikace mobilního účastníka), které jak jeho název říká, jednoznačně identifikuje účastníka kdekoli na celém světě. Toto číslo však není vaše telefonní číslo. IMSI slouží mobilnímu operátorovi k dohledání detailů o uživateli v jeho databázi a spojení s jeho skutečným účastnickým číslem. První tři číslice reprezentují kód země, zbylé pak samotného operátora a zákazníka v rámci jeho sítě. Jestliže číslo IMSI si s kódem PIN může přečíst každý, pak druhé číslo Ki je tajné. Jedná se identifikační klíč karty, který s pomocí algoritmu 38 slouží vypočítání šifrovacího klíče hovoru označovaného jako Kc.

V praxi to probíhá tak, že telefon dosadí do algoritmu 38 tajné číslo Ki a náhodné číslo zaslané sítí. Výsledkem jsou opět dvě čísla. Jednak je to číslo SRES (Signed Response), které telefon pošle síti kvůli ověření identity, a druhým je právě šifrovací klíč hovoru Kc. Ten je následně předán algoritmu A5, který je již součástí samotného telefonu. Ten pak podle něj šifruje hovor při komunikaci telefonu se základovou stanicí (BTS). Vzhledem k tomu, že síť zná jak náhodné číslo, které telefonu poslala, tak i tajný klíč Ki, může provést kontrolní součty a podle toho, zda se číslo SRES shoduje, si ověřuje, jestli komunikuje s oprávněnou kartou SIM a podle toho buď účastníkův požadavek přijme, nebo odmítne. Kromě této základní funkce se však role SIM karet v průběhu let výrazně vyvíjela s tím, jak se vyvíjel samotný standard GSM.

Podobá se počítači

Přes svůj vývoj zůstává princip fungování a konstrukce SIM karet stejná. V podstatě se jedná o mikropočítače, které se z technické hlediska příliš neliší od ostatních počítačů. Také SIM karta obsahuje procesor, zpravidla osmibitový, paměti ROM, RAM, EEPROM a vstupně výstupní obvody. Dnešní SIM karty mají obvykle šest kontaktních plošek. Jejich rozmístění, rozměry a způsob s jakým komunikují s okolím, stejně jako další fyzikální vlastnosti SIM karet, definuje norma ISO7816. Jedna ploška slouží k vlastní obousměrné datové komunikaci, dvě jsou určeny k napájení, jedna je určena k připojení programovacího napětí. To se dříve používalo pro zápis dat na kartu, ale u moderních karet se již nevyužívá a zůstává nepřipojena. Stejně tak u moderních karet zůstává nepřipojena ploška, která jinak slouží k přivedení hodinového signálu. Poslední ploška je určena k resetování, které uvede kartu do původního stavu.

Přes toto datové rozhraní zpřístupňuje mikroprocesor SIM karty, ovládaný řídícím programem, informace, které telefon v daný okamžik nezbytně potřebuje pro svou činnost. To, jakým způsobem se tak děje, definují další dva předpisy GSM 11.11 a GSM 11.14. Určují přitom nejen vlastní chování SIM karet v telefonech, ale i umístění jednotlivých datových souborů v paměti karty a její aktivní funkce. Ne všechny z informací uložených na kartě jsou však volně dostupné. Některé jsou zcela tajné, k jiným je možné se dostat pouze po zadání přístupových kódů PIN1, PIN2, PUK1 nebo PUK2. Tento systém chrání vaší SIM kartu před zneužitím neoprávněnou osobou.

Zvětšuje se kapacita a přibývá funkcí

V první generaci SIM karet, která se označovala jako fáze 1, byste tak marně hledali i jen možnost ukládat SMS na SIM kartu. Ne, že by GSM v této době ještě SMS neumělo, ale museli jste si je ukládat do paměti telefonu nebo mohly být jen dočasně zobrazeny na displeji telefonu. S těmito SIM kartami jste se u našich operátorů ani neměli možnost setkat, protože tehdejší operátoři Eurotel a Radiomobil, už stavěli GSM sítě rovnou druhé generace, která se objevuje v roce 1996. Dnešní GSM a tedy i odpovídající SIM se označují jako 2+, ale SIM karty přetrvávají také u 3G sítě UMTS, která s nimi také počítá, případně pak u nejnovějších sítí LTE- Tyto karty se však již neoznačují jako SIM, ale jako UIIC (Universal Integrated Circuit Card, česky Univerzální karty s integrovaným obvodem).

Zatímco první karty SIM měly paměť pouze 8 kB, při zavedení GSM druhé generace už se u nás používaly nejvíce karty se 16 kB pamětí a dnes se běžně používají SIM karty s 64 nebo 128 kB paměti. To se zvyšující se výkonností procesoru použitého v SIM kartě přineslo uživatelům nový komfort. Zvětšila se nejen kapacita telefonního seznamu z 90 na dnešních 250 záznamů a maximální počet SMS zpráv z devíti na dnešních 25, ale přibyla už na sklonku 90. let i možnost ukládat do paměti různé SIMtoolkitové aplikace, jako je například GSM bankovnictví, lokalizace a další. Dnešní SIM však dokáží ještě mnohem víc. Vysokorychlostní rozhraní moderních SIM karet, které umožňují použití velkokapacitních paměťových čipů a implementace IP a HTTP protokolů pro snadnější a standardizovaný přístup k datům a aplikacím, otevírá zcela nové možnosti.

Příkladem nového využití SIM karty je například implementace secure elementu technologie bezdrátové komunikace na krátkou vzdálenost NFC (Near field communication) přímo do karty, díky čemuž je možné například mobilní placení. Využití NFC jsou obecně velmi široké, od bezkontaktních plateb, přes náhradu elektronických identifikačních karet a klíčů až po sdílení dat a konfiguraci Wi-Fi připojení. Co to technologie NFC je a jaké jsou její možnosti, si můžete přečíst na našem sesterském portálu nearfield.cz

Přebytečný plast je nemilosrdně ořezáván

Zatímco výkon SIM karet nepřetržitě roste, zcela opačný trend můžeme pozorovat z hlediska jejich velikosti.Původní SIM karty měly velikost platební karty (85,60 mm x 53,98 mm x 0,76 mm). V druhé generaci se SIM karta zmenšuje na obdélníček o rozměrech 25 x 15 x 0,76 mm s jedním zkoseným rohem. Tento typ známý jako miniSIM je v současnosti nejrozšířenější. I to se však některým zdá zbytečným plýtváním místa a tak se objevuje microSIM, která je ořezaná na rozměry 15 x 12 x 0,76 mm. Přestože se poprvé objevuje už v roce 1998 a jako standard je Evropským ústavem pro telekomunikační normy přijata v roce 2003, prvním zařízením využívajícím microSIM je až v roce 2010 Apple iPad. Brzy následují další zařízení Apple iPhone 4, iPad 2 a postupně se přidali prakticky všichni výrobci, kteří tento formát SIM karty používají u dražších přístrojů. Jeden z prvních výrobců používající microSIM byla kromě Applu také finská Nokia.

Vývoj však jde stále dál a tak na počátku června loňského roku schvaluje Evropský ústav pro telekomunikační normy na návrh Applu ještě menšího nástupce microSIM. Nová verze SIM, pro kterou se již vžilo označení nanoSIM, je proti svému předchůdci ještě o 40 procent menší. Její rozměry jsou 12,3 milimetrů na délku a 8,8 milimetrů na šířku. Tloušťka 0,67 milimetrů je stejná, jako u současných SIM karet. Nová generace SIM karet by tak měla být s pomocí adaptéru zpětně kompatibilní i se současnými přístroji stejně, jako je tomu s miniSIM. Jediným zařízením, které v současnosti nanoSIM, používá, je Apple iPhone 5. Zda se objeví pikoSIM je ve hvězdách. Minimální plastový obrouček kolem čipu na nanoSIM už příliš možností k řezání nenabízí. Nechme se tedy překvapit, co si pro nás výrobci mobilních telefonů přichystají.

Rozměry SIM karet

Nejen GSM, ale i satelitní telefony

Závěrem je nutno podotknout, že ačkoli jsou SIM karty neoddělitelně spojeny s GSM, nalezneme je i u dalších standardů mobilní komunikace. Se SIM kartami se můžeme setkat v satelitních telefonech sítí Iridium, Thuraya nebo Inmarsat. Některé z těchto SIM karet fungují i běžných GSM telefonech. Zákazníci díky tomu mají možnost využít i roamingu v satelitních sítích se svou vlastní SIM kartou, kterou vloží do satelitního telefonu. SIM karty, respektive jejich obdobu, však používají i japonské současné a budoucí generace mobilních sítí založené na WCDMA (UMTS) a CDMA2000. V případě telefonů založených na CDMA2000 jsou nicméně použity karty R-UIM, které jsou uzamčeny pro použití v jiných telefonech tohoto standardu. Lze je však v rámci roamingu používat i v systému GSM, se kterým jsou kompatibilní. Mobilní sítě postavené na standardu CDMA jsou kromě Asie rozšířené i v Severní a Jižní Americe.

Tento článek je prvním dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky. O čem byste se chtěli dozvědět příště? Jak funguje displej, Bluetooth nebo snad něco jiného?