4G行動通訊時代，全球用戶識別卡(USIM)是必須使用的身分識別元件，在通訊協定開發過程中，通常是使用Test USIM來進行測試。然而Test USIM是一張實體的卡片，需要硬體裝置的配合，再加上卡片內的資料可能有讀寫或修改上的限制，因此本文提出一個以軟體程式的方式來模擬USIM的行為，暫時性取代實體的USIM卡片。
虛擬USIM的想法完全是以軟體程式實作USIM的存取動作及檔案系統，提供應用程式一致的介面(API)，並包裝成一個C語言的函式庫(Library)。其原理是利用Linux作業系統具有的Library Pre-load特性，將應用程式連結到虛擬USIM的函式庫(以下稱為Virtual USIM Library)，使得應用程式讀寫實體USIM的動作轉為對虛擬USIM，當Library Pre-load機制解除，便可回復成對實體USIM的存取。
以下的文章中，將對Virtual USIM Library的軟體實作方法做介紹，首先會說明Library的架構，接著再介紹USIM檔案系統的模擬方式，最後以LTE為例，說明虛擬USIM在使用者裝置上的實際使用例子。
Virtual USIM Library軟體實作方法
圖1為虛擬USIM系統架構圖，其中粗黑框的部分是Virtual USIM Library，圓柱為XML格式的檔案，用來描述USIM內的檔案系統。Library與XML檔案形成整個虛擬USIM的軟體系統，最上方長框代表應用程式，可透過標準的PC/SC API存取USIM卡。
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| 圖1 虛擬USIM系統架構圖 |
Virtual USIM Library本身分為三個功能區塊，PC/SC API、Smart Card Command and Response以及USIM Entity。
其中，最上層的PC/SC API是給應用程式讀寫Smart Card的一套標準介面，Virtual USIM Library使用相同的介面，就可以在不修改應用程式的情況下，讀寫實體USIM卡的應用程式，亦能存取虛擬USIM。
位於PC/SC API與USIM Entity之間的是Smart Card Command and Response區塊，其功能是模擬讀、寫卡片的動作。當應用程式存取實體USIM時，是經由一連串的Command與Response來完成的，從應用程式送到USIM的訊息為Command，而從USIM傳給應用程式的訊息為Response，這些訊息在實體卡片上會轉成電流訊號並由電子電路來處理。因此，Virtual USIM Library必須以軟體程式模擬出訊息處理的功能，才能讓應用程式與虛擬USIM溝通。最下層的是USIM卡片的模擬程式，稱為USIM Entity，是實作虛擬USIM的軟體核心部分。
事實上，Virtual USIM Library的設計是可模擬多種的Smart Card，在此區塊實作出不同卡片的行為程式(以下稱Entity)，搭配XML檔案來描述不同卡片各自的檔案內容，Library便能增加其虛擬Smart Card的種類。
如圖1中粗黑框下半部的示意，Virtual USIM Library己建構出SIM及USIM兩種同屬於SIM卡的Entity，若能再開發出其他Smart Card的Entity，更可以將Virtual USIM Library進一步擴展成為Virtual Smart Card Library。以下將對PC/SC API、Smart Card Command and Response以及USIM Entity這三大功能區塊做介紹：
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PC/SC的全名為Personal Computer/Smart Card，是一套用來存取Smart Card的標準API，在Windows或Linux作業系統上的應用程式只要遵循此API，就能正確的開發讀、寫Smart Card的程式。
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使用PC/SC API有固定的步驟。首先，應用程式必須向PC/SC函式庫要求一個Context，代表程式已成功的啟用讀卡機；接著若Smart Card已插入讀卡機時，程式可連線至Smart Card，並且能夠對Smart Card進行資料的傳送與接收。當資料傳輸結束時，先停止對Smart Card的連線，再釋放Context，完整的流程如圖2所示。
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| 圖2 使用PC/SC API建立Smart Card連線流程圖 |
Linux作業系統的Library Pre-load機制，可使得應用程式執行時預先連結特定的函式庫，以這個方法讓應用程式呼叫的PC/SC API是由Virtual USIM Library提供的API，而不是系統內建的PC/SC Library，應用程式存取Smart Card的動作就會轉為對虛擬USIM。
故Virtual USIM Library要實作出符合PC/SC標準的介面函式，使得應用程式在存取虛擬USIM與實體卡片的程序上完全相同，應用程式不須要知道目前讀寫的USIM是實體或是虛擬的。表1列出存取Smart Card所需的幾個基本介面函式，完整的PC/SC API請參見PC/SC Workgroup的相關文件。
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應用程式存取Smart Card是透過PC/SC API來傳送及接收資料，而對Smart Card進行操作，例如選取檔案、讀寫檔案、檔案權限認證等，是由稱為APDU Command與Response的指令來完成的。APDU Command是應用程式對Smart Card的命令，APDU Response則是Smart Card完成命令後的回應。
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ISO 7816-4標準制定五十幾個的APDU Command，表2列出Virtual USIM Library使用的命令。Smart Card Command and Response這個功能區塊就是在Virtual USIM Library中實作出APDU Command的通用處理程序。
應用程式使用PC/SC API的SCardTransmit函式來收送APDU命令及回應，在Virtual USIM Library內部有SIM與USIM兩個Entity，所以Smart Card Command and Response的功能就是進行命令分派的任務，將應用程式送來的命令交給正確的Smart Card Entity的去執行，同時也將回應訊息傳回給應用程式，如圖3所示。
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| 圖3 APDU Command的處理流程 |
此外，Smart Card Command and Response功能區塊還有一個Database的子功能(見圖1)，用來儲存兩種資料，分別是PC/SC API建立的Smart Card連線的資訊及Smart Card Entity自訂的內部資料結構。
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| 圖4 Virtual USIM Library的資料結構 |
Database為三層的資料結構，如圖4所示。最外層是記錄每次應用程式與Smart Card連線前所需要的Context資訊，結構名稱為SCard Context。當應用程式同時與多個Smart Card連線時，會產生多個Context，就以串列的方式來管理。第二層的SCard Handle資料結構才是真正儲存應用程式與Smart Card建立連線的資訊，應用程式必須先有SCard Context才能取得SCard Handle。
Context與Handle是PC/SC制定的API的輸入參數，對Smart Card的操作會使用到此兩個資料結構。第三層有XML Doc及USIM Data兩塊結構，其中XML Doc是使用Open Source的Libxml2所定義的XML格式的資料結構，用來儲存XML檔案經過解析後的內容，也就是前面提到的以XML來描述USIM的檔案系統。
USIM Data則是儲存應用程式存取USIM時動態產生的資料，例如完成身分認證時會重新計算出新的金鑰(Key)。
XML Doc及USIM Data結構是隨著Smart Card Entity而不同，若應用程式存取的是Virtual USIM Library的虛擬USIM，則XML Doc是儲存SIM卡的檔案系統。相反地，應用程式存取的是虛擬USIM，則XML Doc是儲存USIM卡的檔案系統。
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Virtual USIM Library的USIM模擬程式都實作於SIM與USIM這兩個Entity之中，SIM/USIM Entity主要是處理表2列的APDU Command。由於USIM相容於SIM，故USIM Entity除INTERNAL AUTHENTICATE外，均共用SIM Entity的APDU Command處理函式(如圖3)。
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當應用程式下達的Command是存取USIM內的檔案或目錄時，Entity會讀取前述的XML Doc來回應Command，當應用程式修改USIM的檔案內容時，Entity也會透過XML Doc將新的資料寫回XML檔案。關於SIM與USIM的Command說明請參見第三代合作夥伴計畫(3GPP)的TS 11.11、TS 51.011以及TS 31.102文件。
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USIM的檔案系統定義於3GPP TS 31.102，類似於一般作業系統的階層式檔案與目錄架構，位於最上層的根目錄是MF，其他目錄稱為DF或ADF，檔案則稱為EF，如圖5所示。假設應用程式要讀取IMSI這個EF(6F07)的內容時，必須先以SELECT命令選取MF(3F00)，再選取下一層的目錄ADF USIM，才能選取到檔案EF(6F07)，然後以READ BINARY命令讀取其值。
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| 圖5 USIM的階層式檔案系統 |
實體的USIM卡片內有完整的檔案系統，虛擬USIM則是以XML格式來模擬這些檔案及目錄並存成一個「.xml"」的檔案。當應用程式與虛擬USIM建立連線後，Virtual USIM Library的Database元件就會呼叫XML函式庫的相關API去讀取「.xml"」檔案，經過解析轉換成XML函式庫定義的資料結構，最後以指標的方式掛在Database的資料結構之下，即前述的XML Doc。
Virtual USIM Library目前可模擬SIM與USIM的兩種Smart Card，卡片的數量、類別、檔案的內容與屬性等資訊都會記錄於「.xml"」檔案中。USIM的目錄層次最多為兩層，就以XML標籤表示根目錄，、分別表示MF下的第一與第二層目錄，用來表示特殊的Application目錄，、、分別表示位於根目錄下的檔案、位於第一層目錄下的檔案，以及位於第二層目錄下的檔案。
虛擬USIM應用於LTE UE裝置
UE(User Equipment)是長程演進計畫(LTE)使用者端的裝置，LTE使用USIM卡做為身分識別，UE要有營運商的USIM才能使用LTE網路的服務，圖6為UE加入LTE網路時，須要對USIM進行的動作。
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| 圖6 UE加入LTE網路的程序 |
UE啟動後要先搜尋基地台，搜尋的條件是比對PLMN ID，這是營運商的識別碼，例如中華電信是466-92、台灣大哥大是466-97，而做為測試用的代碼為001-01。USIM內記錄著其營運商的PLMN ID，所以UE最初的動作是讀取IMSI及相關的PLMN資訊，IMSI則是營運商對用戶的識別碼。
當UE的實體層完成與基地台的連線後，UE對LTE網路端提出加入網路的要求，會將其IMSI帶在送給網路端(即圖6的MME)的訊息內，而MME要先驗證該用戶的身分，認證演算法是與3G相同的Authentication and Key Agreement(AKA)，在USIM與MME兩邊各自執行AKA演算法，並產生出新的金鑰，詳細內容請參見3GPP TS 33.102。
認證完成後，MME就會接受UE加入網路，UE也會更新USIM內的Security與Location的資訊。所以USIM在LTE會被使用到的部分是IMSI、PLMN ID以及AKA認證等功能，關於LTE網路的連線程序請參見3GPP TS 24.301。
虛擬USIM優點是在UE開發初期，若與USIM卡片存取的硬體尚未完成，可先以純軟體的虛擬USIM替代。此外，只要對XML檔案內的IMSI、PLMN欄位做修改，就可以很容易測試基地台搜尋、漫遊、緊急電話等項目。
虛擬USIM也有其不足處，如功能模擬的完整度、例外狀況、受限於Linux作業系統等，是可以再改進的部分。
(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)