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        大容量USIM智能卡技術(shù)及應(yīng)用

        2015-12-31 12:50:58董雙赫嚴(yán)斌峰郭曉花
        電信科學(xué) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:卡內(nèi)智能卡大容量

        董雙赫,嚴(yán)斌峰,胡 博,郭曉花

        (中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 北京 100032)

        1 引言

        20世紀(jì)80年代之后,數(shù)字無線通信技術(shù)引入了SIM(subscriber identity module,客戶識別模塊)卡的概念。SIM卡實際上是一張內(nèi)含大規(guī)模集成電路的智能卡,用來登記用戶的重要數(shù)據(jù)和信息,通過鑒權(quán)來防止未經(jīng)授權(quán)的無線接入,保護網(wǎng)絡(luò)運營商和用戶身份不被假冒;通過對傳輸加密防止在無線信道上被竊聽,保護用戶隱私;實現(xiàn)了移動通信終端的機卡分離,大大增強了各終端設(shè)備的共享性。如今,電信智能卡已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種具有無線通信需求的終端中,如手機、平板、汽車、家電等。電信智能卡作為獨立的安全硬件具備用戶身份鑒權(quán)、個人數(shù)據(jù)(短信、通訊錄)存儲、運行智能卡應(yīng)用等功能。隨著電信智能卡技術(shù)的發(fā)展,在智能卡上承載的業(yè)務(wù)越來越多,而智能卡自身又是用戶手中唯一完全由運營商掌控的元素,這使得智能卡成為運營商發(fā)展業(yè)務(wù)的有力武器。

        但是近年來移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速,作為移動互聯(lián)網(wǎng)的載體和入口,智能終端的種類和功能也有了突飛猛進的發(fā)展。在用戶眼中智能終端品牌已經(jīng)顯得更為重要,而網(wǎng)絡(luò)運營商的品牌及其所提供的服務(wù)往往被忽略掉了。與智能終端的快速進化相比,電信智能卡誕生至今發(fā)展卻一直非常緩慢。從2G卡到3G卡再到LTE卡,卡的功能一直相對單一,只有通信鑒權(quán)等簡單功能;卡容量從最初的8 KB到現(xiàn)在的512 KB,一直沒有大的提升,使得向卡內(nèi)存儲多個應(yīng)用或內(nèi)容時空間十分緊張;同時智能卡與終端的數(shù)據(jù)傳輸接口仍然沿用最古老的通信接口,數(shù)據(jù)傳輸速率十分有限。傳統(tǒng)智能卡的數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)存儲容量等的限制已成為運營商發(fā)展智能卡新業(yè)務(wù)的瓶頸。

        中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司 (以下簡稱中國聯(lián)通)在傳統(tǒng)電信智能卡基礎(chǔ)上正在研發(fā)并推出具備GB級存儲能力的新型大容量USIM (universal subscriber identity module,全球用戶身份模塊)電信智能卡(以下簡稱大容量卡),以提升智能卡基礎(chǔ)硬件能力,打造智能卡新型業(yè)務(wù)模式,建立移動互聯(lián)網(wǎng)時代新的用戶入口。

        2 大容量卡的關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 整體架構(gòu)

        智能卡(CPU卡)是一種鑲嵌集成電路芯片并且芯片中帶有微處理器、存儲單元以及芯片操作系統(tǒng)的卡片,具有數(shù)據(jù)存儲、命令處理和數(shù)據(jù)安全保護等功能。傳統(tǒng)電信智能卡大部分采用8管腳或6管腳設(shè)計,內(nèi)部模塊包括CPU (8 bit)、ROM (3~8 kbit)、RAM (6~16 kbit)、EEPROM(128~512 kbit)和串行通信單元,與終端的接口只有標(biāo)準(zhǔn)的ISO 7816接口。

        大容量卡與傳統(tǒng)電信智能卡采用了不同的封裝工藝,在原有卡片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上集成了NAND flash(2~16 GB)閃存芯片,用于擴展數(shù)據(jù)存儲容量;采用了新的IC-USB接口取代傳統(tǒng)的ISO 7816接口作為新的數(shù)據(jù)傳輸通道;將客戶端形式作為新的交互界面,大容量卡架構(gòu)如圖1所示。

        2.2 IC-USB高速機卡接口

        傳統(tǒng)智能卡與智能終端的接口 (C7觸點)根據(jù)ISO/IEC 7816系列規(guī)范定義,通過APDU (application protocol data unit,應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)交換數(shù)據(jù),實際數(shù)據(jù)傳輸速率非常慢(14 KB/s),這導(dǎo)致終端與卡只能進行簡單的命令交互,無法快速傳輸大量數(shù)據(jù)。

        大容量卡采用了新的IC-USB接口,該接口在TS 102 600規(guī)范中定義,用于在芯片間通過USB2.0協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。該接口使用卡片預(yù)留的C4、C8接口作為數(shù)據(jù)I/O通道,終端則復(fù)用原有的USB2.0驅(qū)動即可實現(xiàn)與大容量卡的數(shù)據(jù)交互。

        USB技術(shù)的實現(xiàn)包含了USB主機和USB設(shè)備兩個方面,但是在原有終端上,終端對于USB技術(shù)的實現(xiàn)是基于USB設(shè)備的,而不是基于USB主機的,這兩者在實現(xiàn)技術(shù)上有比較大的區(qū)別。中國聯(lián)通與終端設(shè)備廠商經(jīng)過共同努力,克服了大量困難,在終端上實現(xiàn)了從USB設(shè)備向USB主機的轉(zhuǎn)化,包括集成USB主機芯片、改造BASE BAND設(shè)計、改造傳統(tǒng) SIM卡電氣部分接口(C4、C8)、添加 USB系統(tǒng)管理軟件等。目前已有多家芯片廠商具備了成熟的大容量卡芯片技術(shù),多款終端能實現(xiàn)大容量卡配套功能。

        圖1 大容量卡架構(gòu)

        IC-USB接口支持APDU over USB模式,即通過USB協(xié)議發(fā)送APDU指令,使其在功能上能夠完全取代原有的ISO 7816接口,同時該接口還支持mass storage(大容量存儲)模式,能夠進行較大數(shù)據(jù)和多媒體文件的傳輸;IC-USB接口使得智能卡與終端的數(shù)據(jù)傳輸速率有了質(zhì)的提升,目前支持 USB2.0全速模式 (12 Mbit/s),未來還將支持USB2.0高速(HSIC)模式。

        IC-USB支持的智能卡—終端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有CCID(USB chip/smart card interface device,USB芯片智能卡接口設(shè)備)和ICCD(USB integrated circuit card device,USB集成電路卡設(shè)備)兩種。CCID定義了智能卡讀卡器接口規(guī)范,通過此規(guī)范終端可以與智能卡通信,智能卡集成了讀卡器功能和ICC功能;ICCD引用了CCID內(nèi)容,并針對部分規(guī)則做了特殊定義,如端點配置了bulk傳輸和control傳輸(CCID以bulk傳輸為主),支持3種報文(CCID支持14種報文),使用control傳輸實現(xiàn)低速數(shù)據(jù)交互(CCID支持全速及高速數(shù)據(jù)傳輸)。從目前技術(shù)支持和未來的發(fā)展情況看,CCID協(xié)議具備更好的設(shè)備兼容性、更強大的速率支持和更好的可擴展性。因此,經(jīng)過綜合考慮,大容量卡的接口采用了CCID傳輸協(xié)議。

        由于IC-USB接口承載了APDU over USB及mass storage等多個模式,智能卡需要具備處理通信中斷和延時的邏輯,即APDU指令具備最高優(yōu)先級。當(dāng)多條數(shù)據(jù)并發(fā)時,要保證APDU優(yōu)先發(fā)送,對其他數(shù)據(jù)進行延時處理;當(dāng)正在進行mass storage傳輸,有電信業(yè)務(wù)需要與卡通信時,應(yīng)中斷mass storage傳輸,處理APDU命令,并在結(jié)束后恢復(fù)mass storage的數(shù)據(jù)傳輸。

        IC-USB接口實際傳輸速率(讀速率為700 KB/s,寫速率為500 KB/s)是傳統(tǒng)接口的40~50倍,見表1。這使得向卡內(nèi)下載較大的應(yīng)用程序無需長時間等待,讀取卡內(nèi)數(shù)據(jù)更為快捷,甚至播放卡內(nèi)存儲的720 p視頻都十分流暢。

        表1 機卡速率對比

        2.3 大容量存儲芯片

        傳統(tǒng)電信智能卡存儲介質(zhì)為EEPROM或NOR flash。EEPROM通過電子擦除,價格很高、寫入時間長、寫入速度慢;NOR flash目前正在取代EEPROM成為主流的存儲介質(zhì),NOR的特點是應(yīng)用簡單、無需專門的接口電路、傳輸效率高,屬于芯片內(nèi)執(zhí)行(execute in place,XIP),這樣應(yīng)用程序可以直接在NOR flash內(nèi)運行,不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。但是NOR flash只在1~4 MB的小容量時才具備較高的成本效益,很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

        與NOR flash相比,NAND flash能提供極高的單元密度,并且寫入和擦除的速度都很快,但是不支持在內(nèi)部運行程序,是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。因此大容量卡采用了全新的封裝工藝,在不改變卡片尺寸的基礎(chǔ)上封裝了NAND flash大容量閃存芯片,使得大容量卡具備至少2 GB的數(shù)據(jù)存儲容量,極大地擴展了電信智能卡的數(shù)據(jù)存儲空間。

        大容量卡采用雙芯片設(shè)計,集成了智能卡芯片和閃存控制器。智能卡芯片實現(xiàn)傳統(tǒng)電信智能卡的安全功能;閃存控制器控制NAND flash閃存芯片的數(shù)據(jù)I/O。

        擴展的大容量空間可用來存儲用戶私密數(shù)據(jù)(通訊錄、短信、通話記錄等),告別了傳統(tǒng)電信智能卡只能存儲幾百條短信和通訊錄的歷史。同時,這部分空間還可用于存儲各種應(yīng)用程序、各類文檔和多媒體文件等,極大地擴展了智能卡的應(yīng)用場景。普通SIM卡和大容量卡存儲空間見表2。

        表2 普通SIM卡和大容量卡存儲空間對比

        2.4 新型業(yè)務(wù)交互界面

        傳統(tǒng)電信智能卡的業(yè)務(wù)交互界面為基于OTA的動態(tài)STK(SIM card tool kit,SIM卡工具套件)菜單,它是一種小型編程語言的軟件,可以固化在SIM卡中,為SIM卡的增值業(yè)務(wù)提供一個簡單、易操作的開發(fā)平臺。STK能夠接收和發(fā)送短信數(shù)據(jù),起到SIM卡與短信之間的接口作用,同時還允許SIM卡運行自己的應(yīng)用軟件。這些功能經(jīng)常被用在可通過軟件激活的電話顯示屏上,以文本菜單方式進行信息檢索操作或交易。

        但是隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,用戶交互界面也發(fā)展為以圖形化界面為主的趨勢,STK菜單的交互模式已經(jīng)變得陳舊和繁瑣,STK菜單只有文本的顯示方式,且由多級構(gòu)成,操作不便,同時無法展示卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容。因此,中國聯(lián)通開發(fā)了大容量卡管理客戶端,以終端應(yīng)用的形式管理大容量卡,展示卡內(nèi)數(shù)據(jù),提供各種服務(wù)。

        大容量卡管理客戶端基于智能終端應(yīng)用實現(xiàn),使得電信智能卡具備了豐富多彩、方便友好的用戶界面,同時功能上實現(xiàn)大容量卡的空間管理,包括卡存儲內(nèi)容的展示和管理、基于卡空間數(shù)據(jù)的服務(wù)和應(yīng)用等,如圖2所示。大容量卡管理客戶端讓智能卡管理具備了媲美互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用戶體驗,使其成為一個新的業(yè)務(wù)入口。大容量卡管理客戶端的主要功能如下。

        圖2 大容量卡管理客戶端界面

        · 文件管理:大容量存儲區(qū)作為存儲介質(zhì)掛載,以文件形式管理大容量存儲區(qū),用戶可進行文件的復(fù)制、粘貼、剪切、刪除等操作,其他應(yīng)用也可訪問該存儲區(qū)。

        · 內(nèi)容分類展示:客戶端中視頻、圖片、文檔、應(yīng)用等都有單獨的展示區(qū)域,用戶可更方便地瀏覽各種內(nèi)容,同時各種文件都可通過調(diào)用終端的相應(yīng)程序打開。

        ·智能卡服務(wù)入口:實現(xiàn)基于智能卡的業(yè)務(wù)和功能,包括內(nèi)容定制、數(shù)據(jù)備份等,是運營商推廣智能卡增值業(yè)務(wù)的重要途徑。

        3 大容量卡業(yè)務(wù)模式與應(yīng)用場景

        大容量卡通過一系列技術(shù)創(chuàng)新和硬件升級大幅度提升了電信智能卡的能力,更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的數(shù)據(jù)存儲空間使其可以支撐更多的新型業(yè)務(wù)模式。目前,中國聯(lián)通結(jié)合自身特點和移動互聯(lián)網(wǎng)時代的用戶需求探索出一套大容量卡業(yè)務(wù)體系,通過終端客戶端、云平臺、大容量電信智能卡和適配終端形成了閉環(huán)的業(yè)務(wù)流,同時開放接口讓第三方智能卡應(yīng)用開發(fā)者都可以使用大容量卡業(yè)務(wù),以形成大容量卡業(yè)務(wù)生態(tài)系統(tǒng)。

        3.1 業(yè)務(wù)模型

        大容量卡業(yè)務(wù)模型包括手機管理客戶端、應(yīng)用管理平臺、大容量卡及其適配終端,大容量卡業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖3所示。

        圖3 大容量卡業(yè)務(wù)架構(gòu)

        管理客戶端負(fù)責(zé)大容量卡內(nèi)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和使用,各種業(yè)務(wù)的展示和使用,是用戶與運營商的接觸點。

        應(yīng)用管理平臺是大容量卡業(yè)務(wù)的承載和管理平臺,實現(xiàn)的功能包括大容量卡客戶端的下載和升級、大容量卡內(nèi)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的管理、用戶管理和信息統(tǒng)計等。

        客戶端、云平臺、大容量卡及適配終端共同構(gòu)成了大容量卡的業(yè)務(wù)鏈,在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)各種新的運營商業(yè)務(wù),包括數(shù)據(jù)安全管理、應(yīng)用及內(nèi)容的預(yù)置與分發(fā)、數(shù)據(jù)備份和還原等。

        3.2 數(shù)據(jù)安全管理

        隨著技術(shù)的進步,網(wǎng)絡(luò)對人們經(jīng)濟、社會活動的介入越來越深,信息和數(shù)據(jù)的收集也變得越來越便捷。一方面使相關(guān)行業(yè)能夠利用信息和數(shù)據(jù)實現(xiàn)更大的價值創(chuàng)造,另一方面也給個人信息的保護帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。用戶信息不僅涉及個人隱私,更是一種重要的“數(shù)據(jù)資產(chǎn)”,特別是互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的崛起使“大數(shù)據(jù)”帶來的商業(yè)價值日益凸顯。也正因為如此,相關(guān)行業(yè)的數(shù)據(jù)和信息被作為核心資源廣泛爭奪。然而,一方面缺少監(jiān)管,一方面又有利可圖,使非法獲取個人信息的行為獲得了很大的操作空間。近年來,由于經(jīng)濟利益的驅(qū)使、行業(yè)生態(tài)的混亂、法律法規(guī)的缺失以及公民自身對個人信息保護意識的欠缺等原因,圍繞個人信息的采集、加工、開發(fā)和銷售正悄然變?yōu)橐粭l“數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈”,信息泄露造成的“精準(zhǔn)營銷”和金融詐騙活動給人們的隱私和財產(chǎn)造成了難以估量的損失。

        從互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng),智能終端功能越強大,安全隱患就越多。近年來愈演愈烈的手機病毒、木馬、詐騙短信造成越來越多的信息泄露、電話短信騷擾甚至銀行卡被盜刷等不安全因素。大容量卡作為獨立于智能終端的獨立硬件,具備獨有的安全機制,配合管理客戶端可以實現(xiàn)多種安全能力,使得用戶數(shù)據(jù)得到更好地保護。

        (1)文件加密存儲

        大容量存儲區(qū)可以進行文件的加密存儲,支持多種加密算法,包括IDEA、RSA、AES等主流算法。用戶的敏感數(shù)據(jù)可通過管理客戶端加密后,存儲在大容量卡的加密存儲區(qū)內(nèi),而加密數(shù)據(jù)的讀取也必須通過客戶端進行,可以有效防止惡意程序非法訪問用戶的隱私數(shù)據(jù)。

        (2)訪問控制機制

        安全訪問控制主要采取全局平臺可信任框架的GPAC(global platform access control,全局平臺訪問控制)機制。GPAC由終端的訪問控制模塊與用戶卡中的規(guī)則文件構(gòu)成,可對手機應(yīng)用訪問大容量卡的權(quán)限進行控制和管理,以防止 SIM/SE訪問 API(application programming interface,應(yīng)用程序編程接口)的非法使用給用戶卡帶來的危害。

        通過多重安全保護機制,大容量卡能有效保護用戶隱私數(shù)據(jù)的安全,同時能夠安全存儲支付證書、支付密鑰、交易信息等信息,保證移動支付及金融應(yīng)用的安全。

        3.3 應(yīng)用、內(nèi)容的預(yù)置與分發(fā)

        大容量卡的大容量存儲空間可進行各種內(nèi)容的預(yù)置,包括終端常用應(yīng)用、熱門視頻、音樂、書籍、圖片等,這些內(nèi)容在制卡的時候進行預(yù)置,發(fā)卡時能夠直接到達(dá)用戶。預(yù)置內(nèi)容不僅方便用戶的直接使用,還是一種推廣應(yīng)用和內(nèi)容的天然渠道。

        結(jié)合管理客戶端和管理平臺,大容量卡可以實現(xiàn)一種內(nèi)容推送服務(wù)。例如,用戶選擇感興趣的內(nèi)容,在終端空閑時平臺可以向用戶卡內(nèi)定向推送用戶選擇的內(nèi)容。卡內(nèi)內(nèi)容由于是本地存儲,使用時有比在線內(nèi)容更流暢的用戶體驗(如播放視頻文件更為流暢,隨意切換進度),在離線時也可使用多媒體內(nèi)容。

        3.4 卡內(nèi)數(shù)據(jù)備份還原

        智能卡作為用戶通信的核心入口,保存著用戶通訊錄、短信、通話記錄等重要信息。但是隨著這些數(shù)據(jù)體積越來越大,傳統(tǒng)的電信智能卡已經(jīng)沒有空間來進行存儲,同時當(dāng)終端需要讀取這些信息時,受限于數(shù)據(jù)通道的速率限制,讀取時間也相應(yīng)越來越長。以至于近年來用戶的通訊錄、短信等都已經(jīng)轉(zhuǎn)移至終端上存儲。但是當(dāng)用戶更換手機時,舊終端上的這些信息無法導(dǎo)入新的終端中,導(dǎo)致重要聯(lián)系人的丟失、重要信息無法轉(zhuǎn)移的問題。

        大容量卡擁有很大的存儲容量,使得存儲通訊錄和短信不再受到容量的限制,同時高速的IC-USB通道也解決了讀取速率的瓶頸。這樣用戶可以將通訊錄和短信全部存在大容量卡中,在更換終端時可以實現(xiàn)通訊錄和短信的無縫遷移,不再丟失重要聯(lián)系人或信息。

        在大容量卡管理客戶端內(nèi)還提供了通訊錄、短信的備份和還原服務(wù),用戶可以將終端內(nèi)通訊錄短信備份到卡(本地)或者管理平臺(云平臺)上,當(dāng)使用新卡時可以及時恢復(fù)這些重要信息。

        除了通訊錄和短信,客戶端配合云平臺還可以提供卡內(nèi)多種數(shù)據(jù)的備份還原服務(wù),包括各類應(yīng)用、視頻、音樂等,讓用戶在換卡后能夠還原數(shù)據(jù),保證文件不丟失,體驗無縫銜接。

        4 未來技術(shù)演進及應(yīng)用擴展

        大容量卡技術(shù)已經(jīng)具備了商用能力,但是與智能終端及其他存儲設(shè)備相比還有一些不足之處,如機卡接口傳輸速率仍然較低,向卡內(nèi)存儲較大文件時時間較長;相比現(xiàn)在智能終端或其他存儲設(shè)備的存儲容量,大容量卡的存儲容量較??;雖然在硬件上大容量卡已經(jīng)有了質(zhì)的提升,但在業(yè)務(wù)模式上的探索還處在不成熟的階段。

        未來大容量卡的技術(shù)演進及應(yīng)用場景擴展可以從以下幾方面入手。

        (1)提高大容量卡與終端接口的數(shù)據(jù)傳輸速率

        目前采用的IC-USB接口最大傳輸速率為USB2.0全速(12 Mbit/s),未來可以升級為 HSIC接口,實現(xiàn) USB2.0高速(480 Mbit/s)的傳輸速率。

        (2)增大數(shù)據(jù)存儲容量

        隨著封裝技術(shù)的進步,未來大容量卡可集成更大容量的NAND flash芯片(2~16 GB),極大擴充智能終端的存儲容量,同時為運營商開展業(yè)務(wù)提供更充足的空間。

        (3)應(yīng)用場景擴展

        大容量卡的應(yīng)用場景不僅限于運營商業(yè)務(wù),還可應(yīng)用于多種場景。如大容量卡與NFC功能結(jié)合的復(fù)合型智能卡、行業(yè)應(yīng)用(如對于個人數(shù)據(jù)需要加密存儲、通信過程加密處理的行業(yè))、物聯(lián)網(wǎng)(利用大容量卡自身超大數(shù)據(jù)存儲能力與通信能力的結(jié)合優(yōu)勢)等。未來的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)模式還需要更多地被發(fā)掘。

        5 結(jié)束語

        大容量USIM電信智能卡具備高速IC-USB接口、超大數(shù)據(jù)存儲空間、新型的交互界面和業(yè)務(wù)模式,是中國聯(lián)通推出的新一代電信智能卡,也是中國聯(lián)通在移動互聯(lián)網(wǎng)時代不斷創(chuàng)新、尋求技術(shù)突破、探索新型業(yè)務(wù)模式的嘗試。本文詳細(xì)介紹了大容量卡的關(guān)鍵技術(shù)和架構(gòu)、具體實現(xiàn)方法和未來演進路線,探討了基于大容量卡的各種應(yīng)用創(chuàng)新和業(yè)務(wù)模式,同時提出了對未來發(fā)展的建議。

        1 孫海濤,馬久和,于春光等.USB智能卡應(yīng)用技術(shù)研究.科學(xué)技術(shù)與工程,2007(16):4209~4211

        Sun H T,Ma J H,Yu C G,et al.Research on application technology of USB smart card.Science Technology and Engineering,2007(16):4209~4211

        2 李菲菲.USB協(xié)議在智能卡上的多應(yīng)用研究(碩士學(xué)位論文).北京郵電大學(xué),2007

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