5G 來了，需要更換 SIM 卡嗎？
作者 | 蜉蝣采采
本文經授權轉載自無線深海（ID：wuxian_shenhai）
2019年作為5G元年，隨著中國5G牌照的發放，5G離我們的生活越來越近。眾所周知，要想體驗5G速度，換支持5G的手機是必須的。
中興5G手機
隨之而來的疑問是：之前從2G升到3G，聯通用戶需要換SIM卡，從3G到4G的時候，移動和電信用戶也需要換SIM卡，SIM卡似乎和網路有一個配套使用的關係。
那麼，在5G時代要不要接著換卡呢？
沒錯，SIM卡就是這個小玩意
SIM卡內部有什麼玄機？
首先，我們來看看什麼是SIM卡。
SIM卡的全稱是Subscriber Identity Module，也叫用戶識別模塊，是裝在手機之上用來識別用戶的，就像手機的身份證一樣，網路鑒權通過了才允許手機接入。
別看SIM卡不起眼，實際上它還是一個帶有集成電路晶元的卡片，簡稱ICC（Integrated Circuit Card）。從硬體上說，ICC應該是它的正式名稱，SIM只是它實現的功能。
SIM卡雖小，但裡面竟然集成了CPU，存儲（分為RAM，ROM，Flash，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，裡面大有乾坤
我們使用手機和SIM卡時，實際上是手機向SIM卡發出了命令，SIM卡內部根據相關協議來執行運算並反饋結果，並不是想像中只做單純的信息存儲器那麼簡單。
SIM卡里存放了哪些信息？
SIM卡裡面的數據分為兩類：靜態數據和動態數據。靜態數據一種是生產時永久寫入卡里的，另一種是運營商發卡時寫入的，一般不會變化。動態數據一種是根據網路狀況動態更新的，另一種是用戶存入的通訊錄和簡訊等數據。
SIM里存儲的信息
主要的靜態數據分為下面這些：
1、SIM卡自身晶元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位移動網路碼，以及10位用戶識別碼這三部分組成。IMSI僅在網路內部使用，和用戶使用的手機號有一一對應的關係。
3、鑒權密鑰Ki，以及用於鑒權加密的A3，A5和A8演算法。在演算法的作用下，生成並傳遞鑒權數據。鑒權是SIM的核心功能，在後面會詳細描述。
4、兩個密碼：PIN ( Personal Identification Number)，PUC ( Personal Unblocking Code)。
PIN用於保護SIM的使用安全，如果手機啟用了此功能，每次開機都要輸入PIN，連續輸入錯誤3次SIM卡將被鎖住。
SIM卡鎖住了怎麼辦呢？這就輪到PUC上場了。PUC是專用於給已鎖定的SIM卡解鎖的，但輸入的時候更要小心，如果連續輸入錯誤10次的話，SIM卡將永久鎖定，相當於報廢了。
5、運營商其他數據：運營商名稱SPN，接入點名稱APN，短消息中心號碼SMSC，其他服務號碼等等。
主要的動態數據包含下面這些：
1、位置區標識LAI (Location Area Identity)：移動網路一般劃分為多個位置區，手機需要定時上報自己所在的位置區，讓網路知道手機的位置，方便尋呼。
2、臨時移動用戶標識TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)：為了保護IMSI信息，網路會在手機接入之後分配一個臨時的標識。
3、位置更新定時器T3212，頻點列表等輔助信息。
4、通信錄和簡訊等用戶數據。
SIM卡是怎樣給用戶鑒權的？
SIM卡相當於每個用戶的身份證，其最主要的作用是給用戶鑒權，說白了就是網路判斷用戶是不是系統登記過的合法用戶，只有鑒權通過才能接入網路。
下面說下2G GSM的鑒權流程是怎樣工作的。
2G使用SIM的鑒權流程
上圖這個流程的前提是：SIM卡裡面，核心網都存儲了同樣的鑒權密鑰Ki。
第一步，SIM卡給網路發送用戶的識別碼IMSI，申請接入網路。
第二步，網路先用IMSI，一個隨機數RAND和密鑰Ki算出一個序列值SRES，然後把這個隨機數發給SIM卡，相當於給SIM卡出了道題，讓SIM卡也做一下同樣的計算。
第三步，SIM卡算出結果SRES之後發給網路，網路一看，和自己的計算結果一樣，就判斷這個SIM卡代表的用戶是合法用戶。具體流程比較複雜，上圖進行了大量的簡化，並用紅色的「人話」做了翻譯。
這個流程有一個明顯的漏洞，就是只有網路給用戶出題，判斷SIM卡代表的用戶是否合法，SIM卡並沒有去判斷網路是否合法。這個就給了偽基站可乘之機。
偽基站可不會真的去做什麼鑒權工作，直接鑒權通過，真實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，引入了雙向鑒權機制，也就是不但網路對用戶進行鑒權，用戶也對網路進行鑒權，只有雙方都確認對方合法之後通信才會進行。
為了支持雙向鑒權，SIM卡也升級成為了USIM (Universal Subscriber Identity Module)卡。
USIM和SIM有什麼不同呢？
1、硬體平台升級為UICC (Universal integrated circuit card)，區別於SIM的硬體ICC。
2、UICC在軟體上可支持SIM (用於GSM)和USIM (用於3G及更先進技術)等多個應用，因此也叫USIM複合卡。也就是說，一般USIM卡內部是兼容2G SIM卡的。
3、USIM內存儲的是鑒權密鑰K，支持支持雙向鑒權及更長的秘鑰，以及更新的鑒權加密演算法，安全性更高。
4、USIM可以存儲彩信和更多的通信錄。
鑒權機制的升級是引入USIM卡最重要的目標，我們通過下圖來看看3G的鑒權流程和2G有什麼不同。
3G使用USIM的鑒權流程
首先，第一步是類似的，都是給網路發送用戶的識別碼IMSI，申請接入網路。
第二步，網路經過計算之後，把兩個值：隨機數RAND和網路鑒權令牌AUTH發給USIM卡。 這一步比2G多發的AUTH就是讓USIM用來對網路進行鑒權的。
第三步，USIM通過AUTH來對網路進行鑒權，如果鑒權通過，則把用隨機數RAND計算出的結果RES發給網路。
最後，網路把對USIM發來的RES和自己之前計算的結果XRES一比較，如果一樣就鑒權通過。具體流程比較複雜，上圖進行了大量簡化，並用紅色的「人話」做了翻譯。
這一套流程下來，就實現了USIM和網路的雙向鑒權，安全性大為提高，偽基站就毫無從中作梗的機會了。
4G的鑒權流程和3G非常類似，僅細節稍有不同，但對USIM卡的要求是相同的。
4G使用USIM的鑒權流程
在部署5G時，如果採用非獨立組網 (NSA) 形式，用戶面完全由4G承擔，因此鑒權流程就完全和4G是一樣的。如果採用獨立組網形式，鑒權流程也是和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，不需要再換卡。
為什麼2G升3G/4G要換卡，而升5G不用換？
實際上，4G網路由於不支持2G時代老舊的SIM卡，在從2G和3G往4G升級的過程中，大家都已經把SIM卡換成USIM卡了。
當然，移動，聯通和電信的在從2G升級到3G和4G的選擇不同，中間經歷的換卡的過程也是不同的。
中國移動的3G網路 TD-SCDMA 使用簡化流程鑒權，因此老用戶不需要換 USIM 卡也能接入網路。然而到了4G時代，由於LTE 網路不允許按照2G GSM 的方式鑒權，所以幾乎所有移動用戶在升級4G時需要換卡。
中國聯通的3G網路WCDMA使用了新的鑒權流程，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。
中國電信就要複雜一些，其2G是CDMA 網路，3G是CDMA2000，在技術上自成一體，和移動聯通的2G GSM，3G WCDMA和TD-SCDMA 在鑒權上是完全不同的。
並且，電信的 CDMA的手機卡也不叫SIM卡，而是稱為UIM卡或R-UIM卡，其數據格式跟移動和聯通的 SIM卡或者USIM卡也不相同。
到了4G時代，電信和移動聯通殊途同歸，都部署的是LTE網路，需要升級成USIM卡並同時兼容CDMA。因此，電信用戶從3G升級到4G必須換卡。
三大運營商經過了從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。
各運營商的換卡路徑
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