手机SIM卡复制
SIM 卡是手机号码身份认证的核心凭证，其内置的密钥 Ki 决定了入网身份，一旦该密钥被复制，攻击者即可完全接管目标手机号码，接打电话、收发短信和蜂窝网络均可被劫持。
SIM卡基本概念
SIM（Subscriber Identity Module）直译是用户身份模块，本质是一个智能卡，用来让基站识别你是谁。eSIM本质上是将原本 SIM卡的硬件集成进了手机中，并没有不同。
SIM卡一般由六个触点：电源（C1-VCC）、复位（C2-RST）、时钟（C3-CLK）、接地端（C5-GND）、编程电压（C6-VPP）、双向半双工UART（C7-I/O）。SIM卡中会有微处理器CPU，ROM，RAM，EPROM。SIM卡一般由六个触点：电源（C1-VCC）、复位（RESET）、时钟（CLK）、接地端（GND）、编程电压（VPP）、I/O接口（Data）。
SIM里储存的信息
- 出售时内置的数据：
- ICCID（系列号）
- IMSI（国际移动用户识别码），15位数字，包含国家码（MCC）、运营商码（MNC）和用户号（MSIN）。该信息可通过手机读取到。
- Ki number（加密根密钥），随机生成的128位数字。Ki 无法被读取，只会在SIM卡进行运算的时候会被使用。
- 临时数据：位置区域识别码（LAI）、移动用户暂时识别码（TMSI）、禁止接入的公共电话网等。
- 业务代码：个人识别码（PIN）、解锁码（PUK）、计费费率等。
- 用户储存的信息：通信录电话号码、短信等。
生产过程
- IMEI（International Mobile Equipment Identity，国际移动设备识别码），15位数字，制造商代码、型号、序列号和校验码。每台手机一个，全球唯一。拨号界面
*#06#可查询。
SIM卡身份认证过程
1G（模拟信号），不在讨论范围内。
2G入网交互流程
2G 使用单向认证机制，仅基站验证手机身份，手机无法验证基站真实性，且其核心算法 COMP128-v1 已公开泄露，密钥可通过有限次数的挑战响应推算出来。
2G（GSM）入网的身份认证流程比较简单，在手机和基站分别通过各自相同的密钥使用 Comp128 哈希算法进行比对来确认身份。
- 连接网络时，手机向基站发送 TSMI 来证明其身份。
- 在首次连接到新网络时，手机会发送 IMSI 来标识自己，基站会向手机发送新的 TMSI，TMSI 会经常变动。
- 基站会生成一个 128 位随机数（称为RAND），并将其发送到手机。
- 手机使用身份验证算法（A3）以及使用本地密钥 Ki 对 RAND 进行加密。$COMP128_A3(Ki, RAND)=SRES$，计算出 32 位值 SRES 发送回基站。
- 基站同样使用 A3 算法以及基站根据历史储存的 IMSI 对应的密钥 Ki 对 RAND 进行加密，获取 HASH2。
- 基站会比较 HASH1 和 HASH2 是否相等，相等则证明手机知道密钥 Ki，因此通过身份验证。
- 手机和基站使用 A8 算法计算会话密码密钥 Kc $Kc = A8_{Ki}(RAND)$
- 现实世界中，大多数移动运营商将 A3 和 A8 作为同一种算法实现。Comp128-v1 算法被泄漏，公开已知。
- 基站根据支持的算法列表选择加密算法并激活加密，使用 Kc 作为会话密钥。
COMP128 算法细节
函数 comp128，入参为 128位 K 和 128 位 RAND，
Comp128 核心就是混淆，让原始数据和密钥融合，打乱所有位置。
风险
- 整个过程是个单向认证，也就是只有基站验证手机的身份，验证通过后手机就连接到这个基站了。这就会导致一个严重的问题：伪基站，伪基站就可以给连上的手机发短信等操作。
- 理论谁有 SIM 卡的密钥 Ki 就可以拥有其入网身份，继而接打电话、收发短信、蜂窝网络等。
- 算法风险
- 通过发送一系列的 RAND，根据响应来推断 Ki 值。预计 150000 次即可爆破成功。
3G/4G/5G入网交互流程
3G 及以后引入双向认证和防重放机制，算法安全性大幅提升，但只要能获取 SIM 卡内置的密钥参数，入网身份仍然可被完整复制。
3G（UMTS）/4G（LTE）/5G（NR） 改进了原先 2G（GSM）中的安全问题，使用了安全性更高的 AES-128 的 Milenage 算法，增加了 SQN 机制防止重放攻击，增加了双向认证来防止伪基站风险。
- 手机连接基站时，将 SIM 卡中内置的 IMEI、K、AMF、SQN、OPc、c1/c2/c3/c4/c5、R1/R2/R3/R4/R5 发送给基站。
- 基站生成一个随机数 RAND，基于客户端发送过来的参数以及 RAND 使用 Milenage 算法计算一个结果 RST1（AUTN、匿名密钥 AK、完整性密钥 IK、密码密钥 CK、预期响应 XRES、响应 RES）。
- 基站将 RST1、RAND 返回给手机，手机基于 K（来自 SIM 卡）、RAND（来自基站返回）、AUTN（来自基站返回）以及步骤 1 中的参数，使用 Milenage 算法计算一个结果 RST2，比较 RST1 和 RST2 是否相同，相同则会将 RST1 发送给基站。同时，会递增本地 SQN 值，以防止重放攻击。
- 基站也同样比对 RST1 和 RST2 是否相同，相同则认证验证完成。同时，会递增本地 SQN 值，以防止重放攻击。
Milenage 算法细节
函数f1，入参需要 RAND、AMF、SQN、Ki，核心算法使用 AES-128，输出 MAC-A
函数 f2/3/4/5 使用 OPc、Ki、RAND 生成 XRES、CK、IK、AK
$AUTN = (SQN AK) || AMF || MAC-A$
风险
- 当获取到 SIM 卡内置的敏感信息，即可拥有该手机卡的全部权限。
基于侧信道攻击窃取 SIM 卡中密钥
SIM 卡在执行密钥运算时会产生可被测量的物理特征，攻击者通过分析大量认证请求下的功耗或电磁辐射波形，可以逆向推导出内置密钥 Ki，而无需直接读取受保护的存储区域。
侧信道攻击的核心思路是：SIM 卡的 CPU 在计算 COMP128 或 Milenage 时，不同的中间运算状态对应不同的功耗特征。通过向 SIM 卡发送大量构造好的 RAND 挑战并同步采集功耗曲线，利用差分功耗分析（DPA）可以将密钥 Ki 从噪声中分离出来。物理接触卡片的条件下，使用示波器和简易探针即可完成采集；攻击所需的认证次数取决于算法实现质量，防护较弱的旧版 SIM 卡所需次数远少于新版卡片。