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        GSM-R SIM卡技術(shù)演進(jìn)

        2011-08-15 00:46:53劉丹丹楊曉陽
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2011年2期
        關(guān)鍵詞:卡內(nèi)SIM卡菜單

        ■ 劉丹丹 楊曉陽

        在我國(guó)鐵路GSM-R技術(shù)快速發(fā)展的道路上,被稱為系統(tǒng)“心臟”的GSM-R SIM卡,也隨著鐵路建設(shè)的推進(jìn)而不斷完善發(fā)展。

        1 研制歷程

        2002年,我國(guó)開始研發(fā)國(guó)產(chǎn)GSM-R SIM卡,在對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,2003年初,研制出我國(guó)第一張具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GSM-R SIM卡,并通過鐵道部嚴(yán)格檢測(cè)和測(cè)試,產(chǎn)品功能和性能完全滿足鐵路應(yīng)用要求。

        2004—2005年,國(guó)產(chǎn)GSM-R SIM卡首先在大秦線和青藏鐵路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,取得了圓滿成功。為保證規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的順利推進(jìn),完成了《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)SIM卡 第1部分:技術(shù)條件》、《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備測(cè)試規(guī)范 第5部分:SIM卡V1.0》等規(guī)范的編制,為GSM-R SIM卡的應(yīng)用提供了規(guī)范化的技術(shù)依據(jù)。

        2007年,編制《中國(guó)鐵路GSM-R SIM卡管理辦法》,該辦法提出我國(guó)鐵路SIM卡兩級(jí)管理的思想,加強(qiáng)了對(duì)SIM卡的安全管理。同時(shí)《鐵路SIM卡管理系統(tǒng)需求規(guī)范 V1.0》使卡片管理從手工管理轉(zhuǎn)變?yōu)閷S霉ぞ咧悄芄芾怼?/p>

        2008年,為保證鐵路運(yùn)輸安全,全面升級(jí)了GSM-R SIM卡的鑒權(quán)算法,從原來與移動(dòng)通用C0M 128-1的鑒權(quán)算法升級(jí)為3G M ILENAGE算法。在此期間,GSM-R SIM卡增值業(yè)務(wù)技術(shù)的應(yīng)用也逐步形成。

        2008年至今,GSM-R SIM技術(shù)規(guī)范不斷完善,新技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步,整體應(yīng)用水平得到了較大提升。

        2 技術(shù)演進(jìn)

        1993年,國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織(ETSI)協(xié)商,擬定了歐洲各國(guó)鐵路下一代無線通信發(fā)展提議。該提議在1995年經(jīng)UIC評(píng)估并最終確認(rèn),此后UIC開展了一系列標(biāo)準(zhǔn)制定和測(cè)試工作。UIC首先建立了標(biāo)準(zhǔn)化組織(歐洲鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)EIRENE),制定了一系列鐵路需求規(guī)范,涉及范圍包括業(yè)務(wù)功能、調(diào)度臺(tái)車載臺(tái)需求、電磁環(huán)境等各項(xiàng)指標(biāo)。我國(guó)第一張國(guó)產(chǎn)GSM-R SIM卡最初參考了U IC標(biāo)準(zhǔn),消化吸收之后,發(fā)展創(chuàng)新成為適合我國(guó)鐵路客貨運(yùn)輸應(yīng)用的卡片。

        2.1 功能演進(jìn)

        在鐵路運(yùn)輸應(yīng)用中,首先關(guān)注卡片在功能上是否滿足需求。最初的卡片功能參考了歐洲的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),但由于我國(guó)幅員遼闊,鐵路運(yùn)輸安全管理要求嚴(yán)格,因此卡片的技術(shù)和設(shè)計(jì)不可能照搬歐洲標(biāo)準(zhǔn),必須拿出符合中國(guó)特色的技術(shù)方案。其功能包括:網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)/注銷、話音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、GPRS業(yè)務(wù)、語音組呼業(yè)務(wù)、語音廣播業(yè)務(wù)、功能尋址、多優(yōu)先級(jí)強(qiáng)占強(qiáng)拆業(yè)務(wù)、緊急呼叫AC確認(rèn)等。在經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累的過程中,也對(duì)鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)狀況進(jìn)行了升級(jí),這種升級(jí)改進(jìn)集中在GSM-R專用目錄下的“與用戶號(hào)碼分析相關(guān)的文件樹型結(jié)構(gòu)”。“與用戶號(hào)碼分析相關(guān)的文件樹型結(jié)構(gòu)”針對(duì)CT=7(FAS網(wǎng)絡(luò)用戶號(hào)碼)、CT=8(移動(dòng)用戶號(hào)碼)、CT=0(公網(wǎng)引示號(hào))、CT=9(網(wǎng)關(guān))呼叫類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大改進(jìn)。與用戶號(hào)碼分析相關(guān)的字符串表也根據(jù)我國(guó)鐵路目前業(yè)務(wù)情況進(jìn)行擴(kuò)充,增加近60種字符串索引標(biāo)識(shí)和描述,使定義的用戶類型滿足我國(guó)鐵路應(yīng)用需求,涵蓋了鐵路通信所有用戶身份。

        2.2 兼容性和適應(yīng)性演進(jìn)

        在實(shí)際線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,遇到卡片應(yīng)用和兼容性的問題。經(jīng)過分析、研究與歸類,網(wǎng)絡(luò)登陸不正常等應(yīng)用問題最后指向了卡片的兼容性。鐵路應(yīng)用中不僅僅使用各種手持終端,也使用各種機(jī)車無線通信設(shè)備,例如列車控制系統(tǒng)、車載通信設(shè)備,這些設(shè)備在實(shí)際工作環(huán)境下和網(wǎng)絡(luò)中,與SIM卡的配合使用出現(xiàn)了各種兼容性問題。問題的發(fā)現(xiàn)和解決無疑給正式開通奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),也為后續(xù)技術(shù)改進(jìn)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。在《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)SIM卡 第1部分:技術(shù)條件》中,結(jié)合我國(guó)鐵路應(yīng)用特點(diǎn),對(duì)物理特性、文件結(jié)構(gòu)、安全功能等各個(gè)方面做了詳盡的描述和規(guī)定。

        安全性是在功能滿足需求后首要考慮的問題,GSM-R SIM卡在硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面都作了相應(yīng)的安全保護(hù)。

        在硬件設(shè)計(jì)上,為提高GSM-R SIM卡的穩(wěn)定性和可靠性,采用EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì),保證EEPROM擦寫次數(shù)大于100 000次,數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年,卡片工作溫度為-25~70 ℃,工作電壓為2.7~5.5 V。即便在自然條件惡劣的野外環(huán)境也能保證卡片正常通信。為提高GSM-R SIM卡的安全性,存儲(chǔ)器地址線和數(shù)據(jù)線都經(jīng)過加密(M em ory Encryption and Decryption unit),防止攻擊者用半導(dǎo)體逆向工程技術(shù),通過測(cè)試探頭讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容,從而獲取卡片操作系統(tǒng)(COS)內(nèi)容或者用戶信息等等。不同的存儲(chǔ)器采用不同的加密方式,增加安全性。采用W atchdog監(jiān)控程序的正常執(zhí)行。當(dāng)正常執(zhí)行的程序中插入非法程序時(shí),會(huì)產(chǎn)生W atchdog中斷。同時(shí),為防止惡意攻擊者用頻率攻擊的方法進(jìn)行攻擊,在硬件上加入頻率檢測(cè)(FD),當(dāng)串口時(shí)鐘超出正常工作范圍時(shí),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。為保證系統(tǒng)工作于可靠的工作電壓下,保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,加入電壓檢測(cè)模塊(VD),當(dāng)系統(tǒng)工作電壓超出正常工作范圍時(shí),將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。電源調(diào)節(jié)器(VR)可將正常工作范圍內(nèi)的芯片電源電壓調(diào)節(jié)為穩(wěn)定的電壓,供給內(nèi)部電路工作。

        在硬件保護(hù)的基礎(chǔ)上,還增強(qiáng)了卡內(nèi)操作系統(tǒng)的軟件保護(hù),通過軟件功能實(shí)現(xiàn)對(duì)卡內(nèi)的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和防止掉電的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù),使攻擊者無法再利用市面上通用的非法攻擊手段對(duì)卡內(nèi)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行探測(cè)與讀取。有效地保護(hù)了卡內(nèi)的安全數(shù)據(jù),防止安全數(shù)據(jù)被盜用而影響鐵路運(yùn)輸?shù)耐ㄐ虐踩?/p>

        更新了卡內(nèi)的鑒權(quán)算法,3G M ILENAGE算法在功能接口上與原算法保持一致,只是在SIM卡內(nèi)的算法更加復(fù)雜,參與計(jì)算的參數(shù)更多,可有效地避免通過非法攻擊手段逆推出卡內(nèi)的密鑰KI,增強(qiáng)了卡片的安全性。

        2.3 新技術(shù)研究與應(yīng)用

        在新技術(shù)研究應(yīng)用方面,于2006年提出了鐵路增值業(yè)務(wù)的概念,鐵路領(lǐng)域?qū)υ鲋禈I(yè)務(wù)的需求與民用領(lǐng)域?qū)υ鲋禈I(yè)務(wù)的需求方向不同。在鐵路增值業(yè)務(wù)需求中,更多應(yīng)考慮安全、高效、便捷。借鑒公共移動(dòng)通信系統(tǒng)開展移動(dòng)增值服務(wù)的驅(qū)動(dòng)力、技術(shù)條件和發(fā)展?fàn)顩r,結(jié)合GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)專網(wǎng)的業(yè)務(wù)特性,研究開展GSM-R移動(dòng)增值服務(wù)的應(yīng)用。

        支持增值業(yè)務(wù)的SIM卡稱STK卡(SIM TOOL KIT),即SIM卡應(yīng)用工具箱。SIM卡應(yīng)用工具箱提供機(jī)制允許SIM卡中的應(yīng)用與支持STK功能的手機(jī)進(jìn)行交互操作。SIM卡中的應(yīng)用可以理解為一套向用戶提供各類增值服務(wù)的軟件工具,體現(xiàn)為菜單、子菜單和菜單下的應(yīng)用,一個(gè)應(yīng)用提供特定的交互界面和服務(wù)功能。SIM卡中的應(yīng)用以代碼形式預(yù)設(shè)到卡內(nèi),或通過空中下載(OTA)的方式下載到卡內(nèi),增刪應(yīng)用非常靈活。

        與普通SIM卡相比,STK卡首先具有較大的存儲(chǔ)量,普通SIM卡的存儲(chǔ)容量通常為8 K或16 K字節(jié),STK卡的容量則為32 K字節(jié)以上。另外,STK卡具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,安全性更高。

        在鐵路日常運(yùn)營(yíng)管理中,可以通過遠(yuǎn)程參數(shù)更新,完成對(duì)組呼、廣播、功能號(hào)、用戶優(yōu)先級(jí)等參數(shù)的動(dòng)態(tài)更新,通過一條短信指令就可以完成對(duì)一批卡片的更新,在很大程度上節(jié)約了維護(hù)成本,縮短了維護(hù)時(shí)間,也可以空中下載應(yīng)用菜單,更新應(yīng)用菜單,通過菜單提供應(yīng)用申請(qǐng)業(yè)務(wù)等。

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