【转】浅谈SIM卡虚拟化及云服务的发展趋势

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【转】浅谈SIM卡虚拟化及云服务的发展趋势 ——龚智辉
优克联·CTO

引言

记得1997年我刚参加工作得到第一部摩托罗拉手机的时候，第一件事情就是到移动营业厅去开一张SIM卡，有了这张卡才可以打电话、发短信。一张SIM卡可以使用好多好多年，感觉只要不丢就可以用到天荒地老；换手机的时候只需要把SIM卡拔出来放入新手机，就可以继续使用原来的电话号码。还能通过SIM卡存储或转存通信录，最初的时候为了方便查找联系人，中文姓名前还会加上首字母，尽管已过去了20多年，一些老朋友在我的手机通信录里至今还是以这样的形式出现。

我曾经在一个运营信息交换电子商务平台的公司工作，为券商提供证券交易的综合服务平台，其中有个功能就是支持手机炒股，我们使用了STK技术。手机只要换上STK SIM卡，就可以使用手机菜单进行股票的查询、买、卖、撤单等各种操作。现在看来就是最原始的移动互联网应用之一。

今天，手机SIM卡作为开启每个人移动通信服务以及连接互联网大门的钥匙，其重要性、安全性、便利性一直备受关注。

SIM卡从1991年在芬兰移动网络运营商率先商用以来，到现在已经有将近三十年的历史。对于普通用户来说，最直观的感觉就是SIM卡越做越小——苹果公司一直在积极地推动SIM卡的小型化，2010年在iPhone 4上首次使用微型SIM卡，2012年在iPhone 5上开始使用纳米SIM卡。

其实，无论是全尺寸（Full-size，1FF，85.6x53.98）、迷你卡（Mini SIM，2FF, 25x15）、微型卡（Micro-SIM，3FF, 15x12）还是纳米卡（Nano-SIM，4FF, 12.3x8.8），SIM卡的物理结构都基本相同，只是封装方式上的区别。

随着苹果公司在iPad Air 2上使用Apple SIM，软卡和eSIM这些名称也陆续进入大众的视野，然而这些 SIM卡已经是只闻其名不见其形了。

未来，SIM卡将以怎样的形态出现在我们的生活中呢？本文就试着从SIM的起源开始，简单探讨一下SIM技术的演进发展历程和SIM卡虚拟化及云服务的未来。

实体SIM卡

SIM卡的名称来源于英文Subscriber Identity Module或Subscriber Identification Module的缩写，是为了安全地存储国际移动用户身份（IMSI，International Mobile Subscriber Identity）、用户号码及其关联密钥以及其他移动网络连接信息的一种集成电路，用于在移动通信设备（包括：移动电话、平板电脑、移动电脑等）连接移动通信网络时识别用户身份及鉴权。

SIM卡标准最初由欧洲电信标准协会在规范中制定，编号为TS 11.11。本规范描述了SIM卡的物理和逻辑行为；随着UMTS的发展，规范工作被部分转移到3GPP。3GPP现在负责诸如SIM（TS 51.011 [4]）和USIM（TS 31.102 [5]）和ETSI等应用程序的进一步开发，以便物理卡UICC进一步发展。

SIM卡的物理接口使用智能卡标准接口ISO/IEC 7816，并一直沿用至今。核心是一个集成电路芯片，使用不同大小的封装方式，形态基本保持相同（见图 2）。

GSM时代，SIM卡是软硬件一体的。随着第三代移动通信UMTS的出现，SIM卡的软硬件则逐步分离。目前，SIM的实际意义就是应用软件，而硬件部分是UICC，也就是芯片的物理本体，集成电路芯片。软件部分对于UMTS来说就是引入的USIM（通用订户身份模块）；SIM卡中的软件包括底层操作系统和上层各种软件，包括操作系统、Java虚拟机、Toolkit、OTA等。3GPP的TS11.14规范了SIM应用工具包（STK）技术，允许在SIM卡中加载应用。这样在SIM卡上进行开发和配置就更加简单方便。本文引言中提到的2000年左右开发的手机炒股，还有当时招商银行与中国移动合作开发的手机银行，以及影响了一代人、救活了一个伟大互联网公司的手机QQ，都是使用了STK这个技术。

随着物联网的发展，越来越多的非通信设备也需要接入移动网络，因此对嵌入式SIM卡（eSIM）的需求不断增加，GSMA（全球移动通信联盟）推出了RSP（远程SIM卡配置）规范，各种设备都可以预先嵌入式安装eSIM卡，当用户启动设备时，再按需开通和下载不同运营商的SIM卡用户参数和相关密钥，实现在线开通SIM卡。苹果公司在iPad、iPhone以及Apple Watch所使用的AppleSIM，就是使用eSIM技术。

虚拟SIM卡

SIM卡技术的引入，将通信设备的认证鉴权集中到了一个小小的SIM卡。不仅方便了移动设备的独立发展，也方便了SIM技术自身的不断发展。但是，随着人们在现实生活中对移动通信技术的越来越广泛应用，特别是移动互联网技术的发展，最终用户在各个方面的使用越来越多，SIM卡在使用过程中的一些限制也越来越突出：

l 机卡绑定，即移动通信设备与指定的SIM卡绑定，如需更换运营商，则需要连同手机一起更换。

l 通常情况下，一张SIM卡只能对应一个运营商的网络，用户如需转网，原有SIM卡无法重用，必须重新开卡。

l 跨国旅行时如需使用当地SIM卡，用户必须将原来的SIM卡移除，无法同时使用。即使存在多卡多待的手机，可以容纳的SIM卡数量也很有限，绝大多数手机仅支持双卡。

为了解决这些问题，特别是为了解决漫游地上网问题，各种突破SIM卡限制的技术应运而生。其中最常使用的技术就是SIM卡虚拟化技术；其可行性来源于以下几种技术基础：

1）卡规范上通过USIM技术，将软件部分和硬件本体分离，为SIM卡虚拟化提供了最基本的条件。

2）SAP协议：SIM卡访问协议（SIM Access Profile），支持远程对SIM卡进行操作。SAP协议最早应用在车载蓝牙电话模块。车载模块可以通过蓝牙使用用户手机中的SIM使用电话功能。这样可以实现一个通信设备使用不在设备内的SIM卡。

3）虚拟机技术：SIM的软件部分原本就是操作系统和其中的软件及相关模块，使用虚拟机技术，非常容易在虚拟机管理系统中虚拟出一个SIM卡的软件系统来。

4）RSP规范：RSP是eSIM的供卡规范，支持M2M方式和Consumer方式。其中Consumer方式，是通过一般网络连接，通过安全通信协议，将SIM订户信息及相关安全认证信息下载到eSIM中，实现SIM卡的下载。

下面简单介绍一下几种常见的SIM卡虚拟化技术：

1. 接口延伸法

将SIM卡的接口通过物理电路延伸到另外一个模块。在新的模块中，承接原有的SIM卡，同时支持插入其他SIM卡，或者通过软件模块，获得从其他地方下载的SIM卡。扩展出来的模块可以自主开发，进一步扩展其他功能。

2. 贴片扩展法

在SIM卡上，重新贴上一个很薄的芯片，实现原来SIM卡的二次扩展。由于通过另外的电路嵌入到已有的SIM卡系统中，所以，可以在贴片上额外增加其他功能，比如电子钱包。

3. 近距离无线延展法

通过蓝牙本地连接，利用SAP协议，或其他特有协议，通信设备可以非常方便地使用扩展设备所提供的SIM卡。SAP协议（SIM Access Profile）由国际蓝牙组织（Bluetooth.org）2000年开始制定，2005年出1.0正式版本，2008年出1.1正式版本，这个协议是移动设备与SIM卡分离的关键。因为，既然可以本地无线，也就可以通过移动网和互联网无限延伸了。而且，这个通过蓝牙供卡的设备，还可以通过其他通信手段从网络上获得其他的SIM卡。

4. 网络远程延展法

通过互联网，连接部署在远程的SIM卡，非常方便地使用位于全球网络可以触达的任何地方的SIM卡。这个技术来源于远程SIM技术，在2000年代中期，大量应用在移动通信公司的漫游SIM的远程拨测设备（RTU）（参考2007年11月期《广东科技》的“SIM卡池及异地调度技术的实现与应用”）。但这种技术在普通用户的移动设备上应用则是2011年以后，优克联、斯凯荣、iQsim、Aicent都利用这个技术来解决用户移动漫游问题，将SIM卡异地调度技术应用到普通的终端设备上，通过远程连接来使用云端卡池中的SIM卡。

5. 虚拟机扩展法

前面几种方法都是将SIM卡在物理空间上的延伸，使用远程或另外的SIM卡来替换通信设备中的SIM卡。但实际的使用过程中从实用性考虑，还是需要在本地有一个SIM卡比较好。

而本方法在通信终端中不需要SIM卡的物理本体，直接将SIM软件使用虚拟机进行仿真模拟，具备SIM所有的接口功能，通过软件接口（比如SAP协议）提供物理卡的所有功能。只有在需要使用到只有物理卡中才有的信息（比如密钥）时，才调用远程SIM卡。这是一种更加高效实用的方法。

我们知道，SIM卡识别身份最重要的就是SIM卡硬件中的密钥。尽管密钥是一串数字，但SIM卡在制作的时候，将这个密钥和软件捆绑在一起，确保更高的安全级别。其实，软件运行在SIM卡上和运行在任何计算机模拟的计算空间都是一样的，关键还是在密钥。

按照密钥所存放位置的不同，又衍生出来以下三种技术：

1) eSIM技术：GSMA推荐技术，基本维持了物理实体SIM卡所具备的安全级别，通过RSP协议，将所有SIM信息安全地从远端下载存储到eSIM这个物理设备中。也就是将以前在SIM卡工厂写卡的一些动作，推迟到用户按需订购后再写卡。

2) 软卡技术：这个技术就是将SIM卡中所有的配置以及密钥，都以软件的形式在设备的操作系统中模拟出一个虚拟的SIM卡。

3) 远程虚拟卡技术：这个技术是将卡在用户设备端使用虚拟机的方式进行模式，当需要使用SIM卡的时候，需要使用SAP或其他相似技术，远程访问部署在远端的物理SIM来完成鉴权。这个技术与软卡的不同点在验证密钥还在物理卡中。

基于虚拟SIM卡技术衍生的漫游解决方案

大部分技术的发展都是为了解决实际应用场景中的问题而产生的，前面所描述的SIM技术的不断突破，很多都是受用户漫游问题所驱动的。

为了解决漫游地高额话费以及漫游地通信不方便的问题，移动电话用户一直在期望有更好的办法解决移动漫游问题，方便出行时连接互联网。特别是2005年以来移动互联网的发展，更加促进了异地使用非漫游的本地卡上网的需要。

实际生活中，用户解决漫游问题常常使用以下几种方法：

l 购买目的地SIM卡使用：到达目的地后购买并更换SIM卡使用，或者插入到双卡手机，总之需要占用一个卡槽；

l 插卡MiFi（随身无线路由器）：使用可以插卡的上网设备（俗称插卡猫），购买目的地的SIM卡，并插入到设备中使用。设备提供Wifi热点信号，供移动设备连接使用。设备连接的网络和具备的连接能力，依赖于所购买的SIM卡。

l 免插卡MiFi：无需插卡，只要购买所需的流量包，就可以使用上网功能。流量包可能是全球多个国家通用的，使用方便，且价格上普遍比插卡MiFi更便宜。

l eSIM技术：通过其他网络（如WiFi）在线购买目的地运营商提供的eSIM卡进行上网。但目前该技术并不受大多数运营商欢迎，因此在市场上普遍供应不足。从苹果公司的Apple SIM推进情况就可以得到印证。Apple Watch开通上网卡在中国一波三折，更别说其他品牌的移动电话了。所以说，eSIM技术的推广运营商的供应是关键。

l 软卡技术：这也是目前市面上比较常用的技术，如华为天际通、红茶移动都是使用这一技术。

l 手机内嵌全球上网技术：使用云端卡池，用户根据自身需要选择购买对应流量套餐并激活使用。优克联在2018年巴塞罗那移动大会上推出世界手机S1就是使用了这个技术，通过GlocalMe Inside方案将远程虚拟卡技术整合到手机的基带中。目前小米部分型号手机支持该功能，估计未来还会有更多品牌和型号的手机陆续支持。

从以上分析可以看出：

l eSIM技术是官方推出的技术，但运营商不热心，叫好不叫座也没有办法。

l 软卡技术，由于存在安全风险，GSMA不建议使用，运营商及相关厂商投鼠忌器，不敢大规模推广。

l 免插卡MiFi是相对性能优异且安全的技术，但需要携带额外的设备，造成了一定负担。一些免插卡MiFi兼顾充电宝功能，用户接受度更高。

l 直接将免插卡MiFi的技术植入手机，是更符合用户期望的方式，不影响用户原有SIM卡的使用，性能和安全性也最有保障。

SIM卡云服务解决方案

移动通信的特点使得不同运营商提供的服务必然是存在差异的，以中国为例，三大运营商的覆盖就各有特点，例如：中国移动基站数量最多，大部分区域的信号覆盖就最好；但是中国移动的用户数量也最多，在高峰期网络拥塞的情况也最严重，用户即使处于良好的覆盖条件下也难以获得满意的网速，联通和电信在这时候却有更好的体验；另外，价格也是用户考虑的一个重要指标，特别是在出国漫游使用时。因此，如果用户只能使用手机中原有的一张SIM卡，那么就很可能遭遇到：有时候覆盖信号差；有时候网络拥塞上网速度慢；有时候需要支付高额的漫游费用；有时候套餐流量用尽只能到处蹭免费Wi-Fi......

应对这些问题，最根本的解决方案是：允许用户更方便的更换SIM卡，从而令用户可以根据自己的需求，随时随地自由选择提供服务的运营商，以及所需的网络服务套餐。

而实现这一解决方案，上述软卡、eSIM、远程SIM卡等技术都是可行的，但是考虑到提供全球范围上百个国家的网络服务，SIM卡供应的问题也必须通盘考虑。

针对SIM卡的供应来源，我们针对上述虚拟SIM卡技术展开逐一分析。

l 软卡：由于密钥可以随着软件拷贝，在安全上存在着使用方面的风险，完全依赖于对卡的使用方的信任。

l eSIM卡：可以解决软卡的安全上的担忧，但是，由于运营商在商业上希望对用户锁定来进行自我保护，不想把用户选择的权利下放到手机，目前eSIM的供应量有限，因此，目前eSIM的应用主要集中在物联网领域。

l 远程SIM卡：由于使用普通的物理卡，SIM卡来源不存在特殊性，因此可以在全球范围内获得充足的供卡。

从安全性和SIM卡供应两方面来看，远程SIM卡技术是比较好的，另外，对便利性、实施成本、流量成本等其他方面一并考虑后，下表是对这三种技术的对比分析。

从以上分析来看，目前远程SIM卡还是最合适的供卡方式，其次是软卡，最后是eSIM卡。随着物联网的普及，在物联网领域eSIM会有比较好的期望，但还是需要观望。

显然，普通用户并不会关心使用具体什么技术，用户所需要的只是一个自己满意的漫游及本地上网解决方案——无论何时何地，购买了设备及服务套餐就可以上网。而作为对应的服务提供商，则要求解决方案具备以下特点：

l 具有连接全球移动网络所覆盖的所有区域的SIM卡卡池（覆盖能力）

l 具有动态感知移动终端所在区域的网络并动态换卡的能力（联网能力）

l 具有为用户提供连接服务的按需服务的能力（可自由选择）

l 具有根据用户使用需求动态扩充性能的能力（容量扩充能力）

l 具有灵活的计费能力，支撑用户的购买需求和透明消费的需求（可计费）

l 具有优质的网络连接服务质量（最佳连接）

这些特点正好反映了云计算的弹性服务、资源池化、按需服务、服务可计费、泛在接入的五大特点，因此我们将满足以上特点的解决方案称为SIM卡云服务解决方案，简称云卡。通过将各种SIM卡资源池化，然后将连接资源的能力虚拟化之后，实现用户根据需要弹性购买。随着5G技术的发展，连接能力的虚拟化会更加多维度，给用户更多的选择空间。云卡正好借鉴现代云计算技术来实现SIM卡所提供的连接服务的云化。

云卡云服务系统包括以下基本要素：

1) 云卡终端：

l 同时支持各种虚拟卡技术，包括eSIM卡、远程物理卡、软卡，并具备良好的扩展能力，支持未来各种各样的SIM卡；

l 具备根据网络环境动态换卡的能力；

l 具有高度安全的SIM卡保护机制，确保云卡在网络连接安全性、计费准确性；

l 具有良好的质量监控与保障机制；

2) 云卡平台

l 具有容纳全球各种各样SIM卡的管理能力，为云卡终端按需分配SIM卡资源；

l 对云卡终端连接情况进行监控与分析，保证连接质量，可按用户等级提供服务；

l 服务可量化，可计费。

l 不限于原始运营商提供的服务能力，为用户提供更方便、灵活、个性化、场景化的贴心移动连接服务。

云卡云服务的现状与展望

从前面分析来看，SIM卡云服务就是移动用户最终所希望使用的技术。实际上，业界在该领域已经有很多厂商在辛勤耕耘，并正在为广大用户提供服务。

l 华为天际通：华为的多款手机已支持使用软SIM技术的天际通功能，从其官网介绍来看，已支持全球80+国家的精品网络覆盖。然而，可惜的是中国却不在覆盖范围内。从这点来看说，还不是的令人完全满意的云卡平台。

l 环球漫游：16年出入境通信服务，全球出行移动连接服务提供商，网络覆盖超过210个国家，通过随身WiFi提供服务，并为全球商户提供广告投放服务。

l 优克联：覆盖全球140+国家地区。提供漫游超人租赁服务（免插卡MiFi）和GlocalMe终端产品（免插卡MiFi和自带流量世界手机）；并提供GlocalMe Inside手机嵌入方案，通过云服务平台为合作伙伴提供PaaS和SaaS云卡方案。

l 漫游宝（Skyroam）：提供无需插卡的随身WiFi，覆盖全球130+国家，并提供V*N服务，覆盖16个国家。

l 小米全球上网：通过第三方提供全球上网服务，有的手机通过红茶移动提供，有的通过优克联的GlocalMe Inside技术提供，使用方式与华为天际通相同，网络覆盖与技术提供商有关。

l 红茶移动：使用eSIM技术，提供CaaS服务平台，采用eSIM技术，为主要手机品牌提供SIM卡服务，无自主终端，网络覆盖100+国家和地区。

目前看来，华为、小米等厂商主要业务在手机，上网也主要为手机服务，云卡服务平台不是其主要业务方向。环球漫游、漫游宝通过自身MiFi产品提供上网服务，以自主运营、直销服务的方式对外，无法形成服务全球的云卡服务平台。红茶移动基于eSIM技术，通过CaaS提供基础卡服务，在eSIM还没有供应量和承接终端的情况下，多数情况下采用软卡技术提供，服务比较专注，对最终用户的体验和触达还不够。尽管通过手机厂商，网上公布有2.5亿以上的装机，但实际使用人数不多。优克联提供的云卡平台，广泛支持远程物理卡、eSIM卡和软卡，自营的漫游超人Mifi租赁业务在国内占有率最大，以 PaaS服务和SaaS服务方式，面向最终用户和合作伙伴，构建全生态链的云卡服务，是值得期待的为移动用户提供贴心管家式云卡服务平台的公司。

云卡云服务平台的未来会怎么样？互联网的游戏规则就是用脚投票，最终用户说了算，谁能将用户服务好，谁就是赢到最后的玩家。但无论如何，云卡云服务平台就是最终用户最喜欢的平台，有用户需求在，云卡云服务平台一起会发展起来的。（署名：龚智辉）