0 引言

在當今互聯網時代的大背景之下，互聯網技術迅猛發展，手機上網的網民也日趨增長。同樣，用戶在境外出行時的移動上網需求也日益強烈，移動用戶出國活動頻繁，國際漫游業務量明顯增加[1]，傳統的實體SIM卡用戶需要在出國之前辦理國際漫游業務后，能夠使用漫游地網絡服務。然而，國際漫游資費高是困擾消費者的一大難題。為了解決上述所提出問題，基于智能終端的虛擬SIM卡技術得到重視和發展。通過支持虛擬SIM技術的終端消費者可以在全球覆蓋范圍內，以接近目的地價格水平使用數據上網服務。本文根據虛擬卡平臺架構，結合Android Telephony框架結構，研究虛擬卡在Android終端中的應用以及相關的技術。針對虛擬卡參數在下載以及保存階段可能出現的用戶信息被攻擊，設計基于ARM TrustZone技術實現虛擬卡的安全運行及數據安全。最后通過測試表明可以通過虛擬卡APP完成上網操作。

1 平臺架構

虛擬SIM卡平臺架構如圖1所示，平臺由三部分組成：支持虛擬SIM卡技術的終端、用戶管理中心和SIM云端服務提供商。

（1）虛擬SIM卡終端：支持虛擬SIM技術，能從云端下載虛擬SIM卡參數，可用虛擬SIM卡參數接入相應的網絡。

（2）用戶管理中心：目的是與終端虛擬SIM APP進行交互，提供用戶管理，開啟或終止用戶使用虛擬SIM卡參數。

（3）虛擬SIM卡云端服務供應商：提供運營商參數IMSI、Ki等網絡鑒權所必須的虛擬卡參數。本方案與二六三移動通信有限公司合作，開發支持虛擬卡技術的終端。

本方案的目的是設計實現支持虛擬SIM卡的終端，支持虛擬SIM卡技術的終端可以通過WiFi或者移動運營商網絡請求從動態IMSI分配服務器下載虛擬SIM卡參數。參數包括國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）、鑒權密鑰（Key identifier，Ki）等登錄網絡時用于用戶身份認證的關鍵參數。

2 終端軟件架構與設計

2.1 Android Telephony框架結構

Android Telephony[2]采用了分層結構的設計，共跨越了三層：Java Application（應用層）、Java Frameworks（框架層）和RIL（Radio Interface Layer，無線接口層）。Telephony結構與Android框架結構一致。Android Telephony的業務應用跨越了AP和BP。AP與BP相互通信是目前智能手機的基本硬件架構。Android系統在AP上運行，而Telephony運行在Linux Kernel之上的User Space空間。BP側負責射頻控制，包括信號調制、編碼、射頻移位等高度時間相關的操作。對于不同的安卓廠商，他們的AP側允許相同，但是Modem側可能會有差異。因此，Android在AP與Modem之間設計了RILC框架，不同的芯片廠商就可以將其協議連接到AP側。本虛擬卡方案基于高通平臺。對于高通平臺來說，它的RILC就是QCRIL。

2.2 終端軟件架構

虛擬SIM卡終端架構如圖2所示，其軟件架構與Android Telephony整體分層結構保持一致，包括應用層、框架層、無線通信接口層。

其中處于應用層的APP與框架層的service通信是基于Binder機制實現進程間通信，通過安卓接口描述語言（Android Interface Definition Language，AIDL）技術定義進程間通信接口。虛擬卡是在Frameworks中單獨添加的一個服務，為了使其他的應用程序也可以訪問本應用程序提供的服務，Android提供了AIDL來自動生成用于進程間通信的代碼。RILJ與RILC的交互是基于rild端口的Socket連接，RILJ接收到Telephony Frameworks發出的請求后，通過Socket連接向RILC發起RIL請求。最后，高通平臺通過高通消息接口（Qualcomm Messaging Interface，QMI）作為AP與Modem之間的通信接口。采用IDL_QCSI_QCCI的方式實現。QCCI（QMI Common Client Interface）封裝客戶端進行通信的C庫，主要是注冊client，用于發送和接收message。QCSI（QMI Common Service Interface）封裝服務端進行通信的C庫，提供服務注冊，發送和接收message，根據消息ID查找回調函數實現消息響應。至此，從應用軟件到Telephony Frameworks到RIL再到BP的Modem全線貫通，之后應用軟件就可以處理相關通信業務了。

傳統SIM卡是插在Modem中的，終端與SIM卡的交互必須要經過Modem。而虛擬卡相當于在模塊側虛擬了兩個卡槽，虛擬卡槽和物理卡槽的連接是互斥的。當虛擬卡激活時，表示當前模塊連接的是Softslot，此時模塊無法上報物理卡槽slot信息。當無虛擬卡或者虛擬卡去激活時，模塊連接到物理的slot上，此時可以通過接口獲取物理slot的信息。當發生了物理卡和虛擬卡切換時，相當于發生了一次熱插拔，模塊將會將原有的卡信清除，并上報新的卡信息。

2.3 流程設計

虛擬SIM卡流程設計如圖3所示。

虛擬SIM APP提供與用戶交互的界面，可供用戶登錄、訂購虛擬卡套餐、激活以及去激活虛擬卡。合法用戶登錄用戶中心后就可以進行虛擬卡的相關操作。用戶訂購虛擬卡套餐后會在后臺執行虛擬卡參數下載以及保存的流程，保存的虛擬卡參數會在用戶到達漫游地后由用戶選擇啟用虛擬SIM卡套餐。啟用的虛擬SIM卡經鑒權認為合法就可以使用相應的套餐，連接相應的網絡，使用目的地數據服務了。

2.4 虛擬SIM卡安全框架設計

本系統基于ARM TrustZone[3]技術實現虛擬卡用戶數據的安全傳輸與保存。目前主流的安全防范措施包括SoC設計外置硬件安全模塊、SoC設計內置硬件安全模塊、軟件虛擬化技術以及ARM TrustZone技術，TrustZone是保護系統安全的比較好的解決方案。把Virtual SIM運行在TEE環境里面，以確保SIM數據的安全存儲和運行安全。系統框架如圖4所示，其中主要包含REE、TEE、硬件平臺。

REE指的是普通執行環境，也就是常說的Android或者iOS操作系統，其中運行普通應用，本系統基于Android 4.4系統進行開發。TEE指的是可信執行環境，其中運行可信程序，執行安全操作，為REE提供安全服務。硬件平臺指的是支持ARM TrustZone技術的芯片。

虛擬卡安全的實現主要涉及圖中灰色部分，下面描述各部分詳細的功能。

(1)運行在REE中的Virtual SIM應用（CA）

虛擬卡應用運行在普通執行環境中，以下簡稱CA。CA是對安全要求較高的一類應用，通過CA，用戶可以與虛擬卡進行交互，實現業務購買、業務激活以及業務關閉等操作。

(2)TEE Client API

TEE Client API是運行于REE中的CA與運行于TEE中的TA之間進行通信的接口。通過該標準接口實現TEE環境的初始化。CA通過接口調用建立CA 與TA之間的聯系，實現安全服務的調用。

(3)TrustZone驅動

TrustZone驅動位于Linux內核，是一個虛擬的TrustZone硬件驅動程序。CA調用TEE Client API時，TEE Client API會調用TrustZone驅動，由TrustZone驅動生成smc指令，進入Monitor模式，完成系統切換。