JAVACARD SIM 內(nèi)存管理方法優(yōu)化研究

黃健文，黃 健，蔡秋艷，楊 光（中國(guó)電信股份有限公司研究院，廣州 510630）

1 概述

隨著移動(dòng)通信技術(shù)從1G 到5G 持續(xù)演進(jìn)，移動(dòng)通信已滲透到人們生產(chǎn)生活的方方面面［1-2］。3G 時(shí)代移動(dòng)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始結(jié)合［3］，4G 推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展［4］，出現(xiàn)了微信、支付寶等超級(jí)應(yīng)用APP。5G 通信技術(shù)帶來(lái)了大帶寬（eMBB）、大連接（mMTC）和低時(shí)延（uRLLC）等新應(yīng)用場(chǎng)景，快速拉動(dòng)大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和智能駕駛等一系列新業(yè)態(tài)［5］。6G 開(kāi)始進(jìn)入空天一體化時(shí)代，將形成沉浸式云XR、全息通信、感官互聯(lián)、數(shù)字孿生等八大業(yè)務(wù)應(yīng)用。

在1G～3G 時(shí)代，SIM 的核心用途是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證，是使用NATIVE 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的單應(yīng)用卡。在4G、5G 時(shí)代，由于行業(yè)應(yīng)用的快速推廣和終端技術(shù)的快速進(jìn)步，SIM 芯片從ICC 架構(gòu)發(fā)展為UICC 架構(gòu)，采用JAVACARD 與GP 架構(gòu)技術(shù)的多應(yīng)用卡成為未來(lái)SIM的主流發(fā)展方向，SIM 具備入網(wǎng)鑒權(quán)與應(yīng)用加載雙重核心用途。在5G、6G 時(shí)代，電信運(yùn)營(yíng)商不僅向外提供移動(dòng)通信數(shù)據(jù)管道服務(wù)，同時(shí)正力爭(zhēng)成為全產(chǎn)業(yè)鏈綜合服務(wù)商。電信運(yùn)營(yíng)商發(fā)揮SIM 的天然安全屬性向外輸出安全服務(wù)能力，并借用SIM 卡安全存儲(chǔ)空間承載數(shù)字貨幣、數(shù)字身份、數(shù)字公交、市民卡等國(guó)家重要基礎(chǔ)實(shí)施應(yīng)用［6］。SIM RAM 內(nèi)存資源是行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、加載流程中不可或缺的重要元素，將決定行業(yè)應(yīng)用在SIM 內(nèi)的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性。為滿(mǎn)足行業(yè)應(yīng)用在SIM上最大程度的加載需求，本文后續(xù)將從SIM 芯片、COS內(nèi)存資源現(xiàn)狀，國(guó)際規(guī)范內(nèi)存資源管理要求，分析優(yōu)化提升SIM內(nèi)存資源利用率的方法。

2 SIM卡內(nèi)存資源現(xiàn)狀

2.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

現(xiàn)有JAVACARD JCRE 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將SIM 內(nèi)存分為CLEAR_ON_RESET 和CLEAR_ON_DESELECT 2 類(lèi)。CLEAR_ON_RESET 簡(jiǎn)稱(chēng)RTR 內(nèi)存，用于存儲(chǔ)應(yīng)用的永久性狀態(tài)，CLEAR_ON_DESELECT 簡(jiǎn)稱(chēng)DTR 內(nèi)存，用于存儲(chǔ)應(yīng)用的臨時(shí)性、過(guò)渡性狀態(tài)。RTR 內(nèi)存在應(yīng)用安裝時(shí)候申請(qǐng)并占用，應(yīng)用刪除后釋放回收為待分配的RTR，DTR 在應(yīng)用安裝時(shí)申請(qǐng)，應(yīng)用選擇運(yùn)行時(shí)候內(nèi)存占用，應(yīng)用去選擇后釋放回收為DTR內(nèi)存。

2.2 芯片現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商發(fā)行的JAVACARD SIM 芯片主要以國(guó)產(chǎn)芯片為主，典型代表為華大電子CIU98M25、紫光國(guó)微THD89，芯片物理內(nèi)存為40～44 KB。

2.3 現(xiàn)有SIM內(nèi)存管理方法現(xiàn)狀

現(xiàn)有SIM內(nèi)存管理方法將待分配內(nèi)存資源按一定比例預(yù)先固定劃分為DTR 和RTR 內(nèi)存，應(yīng)用安裝將在固定的DTR 和RTR 空間內(nèi)進(jìn)行申請(qǐng)分配，DTR 和RTR內(nèi)存類(lèi)型不可混合使用。現(xiàn)有SIM 內(nèi)存管理方法，當(dāng)應(yīng)用實(shí)際DTR 大于預(yù)先固定設(shè)置DTR 時(shí)，應(yīng)用被禁止安裝，限制了應(yīng)用DTR 內(nèi)存資源的使用。目前國(guó)內(nèi)具備多應(yīng)用SIM 產(chǎn)品研發(fā)能力的主流卡商有東信和平、恒寶、華弘、握奇、天喻等，各個(gè)廠(chǎng)家研發(fā)的SIM商用產(chǎn)品可用于行業(yè)應(yīng)用加載運(yùn)行使用的待分配RAM 剩余空間為15～18 KB。

3 JAVACARD SIM 內(nèi)存管理優(yōu)化方法

3.1 SIM內(nèi)存分配管理架構(gòu)

本文遵循JAVACARD 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DTR 與RTR 內(nèi)存類(lèi)型的管理原則：DTR 內(nèi)存在各個(gè)應(yīng)用間可共享，應(yīng)用去選擇后進(jìn)行內(nèi)存釋放；RTR 內(nèi)存類(lèi)型分配即占用，不可在應(yīng)用間共享，應(yīng)用刪除后則釋放內(nèi)存。

SIM 卡芯片物理內(nèi)存分為基礎(chǔ)功能層內(nèi)存和應(yīng)用層內(nèi)存。基礎(chǔ)功能層內(nèi)存是分配給基本通信能力、JAVACARD、GP 管理架構(gòu)使用的固定物理內(nèi)存，在SIM 卡開(kāi)發(fā)過(guò)程中被固定分配，不可釋放供后下載應(yīng)用使用；應(yīng)用層內(nèi)存即SIM卡的剩余內(nèi)存空間，只提供給應(yīng)用下載使用。

應(yīng)用層內(nèi)存空間分為邏輯通道固定分配內(nèi)存空間和當(dāng)前待分配內(nèi)存空間。固定分配內(nèi)存空間標(biāo)記為N×Dc，N表示SIM 支持的邏輯通道數(shù)量，Dc表示每個(gè)邏輯通道固定獨(dú)立分配的DTR，每個(gè)邏輯通道間獨(dú)立使用Dc字節(jié)DTR，不共享。當(dāng)前待分配內(nèi)存空間標(biāo)記為M，可作為DTR 和RTR 使用，不預(yù)設(shè)置其內(nèi)存類(lèi)型，根據(jù)應(yīng)用安裝參數(shù)進(jìn)行內(nèi)存類(lèi)型設(shè)置和內(nèi)存數(shù)量分配。JAVACARD SIM 內(nèi)存分配管理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 JAVACARD SIM 內(nèi)存管理架構(gòu)

3.2 JAVACARD SIM內(nèi)存管理原則

為便于JAVACARD SIM 內(nèi)存管理，根據(jù)GP 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，定義如下應(yīng)用內(nèi)存管理參數(shù)：C7表示應(yīng)用可使用最大RTR 內(nèi)存空間；D7表示至少為應(yīng)用固定預(yù)留的RTR內(nèi)存空間；R表示應(yīng)用安裝實(shí)際使用的RTR空間；D表示應(yīng)用安裝實(shí)際使用的DTR空間。

JAVACARD SIM 應(yīng)用層M+N×Dc內(nèi)存空間，在應(yīng)用安裝、應(yīng)用選擇、應(yīng)用刪除等管理流程中，按如下原則進(jìn)行內(nèi)存申請(qǐng)釋放管理。

a）當(dāng)前待分配M字節(jié)內(nèi)存空間管理原則，分配前不預(yù)設(shè)置DTR 和RTR 類(lèi)型，根據(jù)內(nèi)存分配請(qǐng)求進(jìn)行DTR 和RTR 類(lèi)型分配。RTR 分配即被占用不可共享、應(yīng)用刪除后該應(yīng)用占用的RTR 釋放，RTR 分配后1∶1實(shí)際占用物理內(nèi)存；DTR 分配后可共享，應(yīng)用去選擇后該應(yīng)用的DTR 被釋放，多段DTR 內(nèi)存可臨時(shí)共享占用相同物理內(nèi)存。

b）獲取SIM 當(dāng)前剩余空間原則，SIM 在應(yīng)用安裝前可使用GP 指令獲取SIM 當(dāng)前可使用的剩余內(nèi)存空間，獲取SIM 當(dāng)前可使用的RTR 空間為M，獲取當(dāng)前SIM可使用DTR空間為Dc+M。

c）帶C7/D7安裝參數(shù)的應(yīng)用安裝內(nèi)存申請(qǐng)管理原則，應(yīng)用安裝優(yōu)先分配RTR 內(nèi)存，當(dāng)（D7≤M）&（D＜MD7+Dc）條件成立時(shí)，允許進(jìn)行應(yīng)用安裝，否則應(yīng)用安裝失敗。安裝X個(gè)相同應(yīng)用時(shí)，當(dāng)（M≥D7×X）&（M+Dc-D7×X≥D）&（D7≤M），第X個(gè)應(yīng)用允許安裝成功，X為正整數(shù)。

d）不帶C7/D7安裝參數(shù)的應(yīng)用安裝內(nèi)存申請(qǐng)管理原則，應(yīng)用安裝優(yōu)先分配RTR 內(nèi)存，當(dāng)（R＜M）&（D＜MR+Dc）條件成立時(shí)，允許進(jìn)行應(yīng)用安裝，否則應(yīng)用安裝失敗。安裝X個(gè)相同應(yīng)用時(shí)，當(dāng)（M≥R×X）&（M+Dc-R×X≥D）&（R≤M），第X個(gè)應(yīng)用允許安裝成功，X為正整數(shù)。

e）應(yīng)用調(diào)用API 獲取應(yīng)用可使用的內(nèi)存空間管理原則。當(dāng)應(yīng)用不帶C7/D7參數(shù)時(shí)，應(yīng)用可使用的內(nèi)存空間為當(dāng)前SIM 待分配空間M，RTR 為M，DTR 為M+Dc-D。當(dāng)應(yīng)用帶C7/D7參數(shù)時(shí)候，當(dāng)C7-D7＞M，應(yīng)用可使用的RTR 為M，當(dāng)C7-D7≤M時(shí)候，應(yīng)用可使用的RTR為C7-D7；DTR為M+Dc-D。

f）帶安裝參數(shù)C7/D7的應(yīng)用刪除內(nèi)存管理原則，刪除前SIM 當(dāng)前待分配內(nèi)存空間為M，刪除后SIM 當(dāng)前待分配內(nèi)存空間為D7+M，刪除后可使用的RTR 為D7+M，刪除后可使用的DTR為D7+M+Dc。

g）不帶安裝參數(shù)C7/D7的應(yīng)用刪除內(nèi)存管理原則，刪除前SIM 當(dāng)前待分配內(nèi)存空間為M，刪除后SIM 當(dāng)前待分配內(nèi)存空間為R+M，刪除后可使用的RTR 為R+M，刪除后可使用的DTR為R+M+Dc。

h）應(yīng)用選擇DTR 內(nèi)存溢出沖突管理原則，SIM 卡支持n個(gè)邏輯通道同時(shí)打開(kāi)n個(gè)應(yīng)用，每次在邏輯通道選擇應(yīng)用應(yīng)按如下規(guī)則進(jìn)行內(nèi)存溢出沖突判斷：

（a）當(dāng)SUM（D1+D2…DX）＞M+X×Dc，X≤n，DTR 內(nèi)存溢出，SIM 應(yīng)禁止當(dāng)前在第X邏輯通道上選擇DX應(yīng)用，需等待其余邏輯通道上的DTR 內(nèi)存釋放后再進(jìn)行選擇。

（b）在支持X個(gè)邏輯通道的SIM 上，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存溢出沖突的DTR 最大平均值為M/X+Dc；當(dāng)SIM 卡全部安裝只要求DTR 的應(yīng)用時(shí)，DTR≤M/X+Dc時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生DTR 內(nèi)存溢出；當(dāng)應(yīng)用帶RTR 和DTR、且DTR≤Dc時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存溢出沖突。

3.3 SIM內(nèi)存分配管理實(shí)例

假設(shè)JAVACARD SIM 應(yīng)用層內(nèi)存空間為16 KB，SIM 支持4 個(gè)邏輯通道，每個(gè)邏輯通道固定分配1 KB DTR 共4×1 KB DTR，剩余12 KB 為當(dāng)前待分配內(nèi)存空間，可根據(jù)需要作為DTR或RTR內(nèi)存類(lèi)型分配使用。

a）分別安裝配置C7/D7參數(shù)的應(yīng)用APP-A、APPB 后SIM 內(nèi)存狀態(tài)如表1所示。APP-A 應(yīng)用：C7=25，D7=2，R=1，D=2。APP-B 應(yīng)用：C7=10，D7=2，R=1，D=2。API 方式獲取應(yīng)用可用空間：C7-D7＞M_AF，RTR_API=M_AF；C7-D7≤M_AF，RTR_API=C7-D7。

表1 安裝APP-A、APP-B應(yīng)用后SIM剩余內(nèi)存狀態(tài)

b）分別安裝不配置C7/D7參數(shù)的應(yīng)用APP-C、APP-D、E、F 后SIM 內(nèi)存狀態(tài)如表2 所示。APP-C 應(yīng)用：C7=0，D7=0，R=1，D=2。APP-D應(yīng)用：C7=0，D7=0，R=0，D=2。

表2 安裝APP-C、APP-D應(yīng)用后SIM剩余內(nèi)存狀態(tài)

c）累計(jì)可安裝APP-A 的數(shù)量與內(nèi)存溢出沖突實(shí)例如表3 所示。應(yīng)用APP-A：C7=25，D7=2，R=1，D=2；根據(jù)安裝成功條件（M≥D7×X）&（M+Dc-D7×X≥D）&（D7≤M），即（12≥2X）&（12+1-2X≥2），可得X最大為5，可安裝5 個(gè)APP-A 應(yīng)用，第6 個(gè)應(yīng)用安裝失敗。采用API方式獲取應(yīng)用可用空間：C7-D7＞M_AF，RTR_API=M_AF；C7-D7≤M_AF，RTR_API=C7-D7。DTR 內(nèi)存溢出計(jì)算：SUM（D1+D2+…+DX+DX）＞M+X×Dc，安裝完第5 個(gè)應(yīng)用后當(dāng)前待分配內(nèi)存空間為2，2×X＞2+1×X，當(dāng)X＞2時(shí)，產(chǎn)生DTR 內(nèi)存溢出，SIM 卡只能在2 個(gè)邏輯通道上同時(shí)選擇2個(gè)應(yīng)用，在第3個(gè)邏輯通道上打開(kāi)第3個(gè)應(yīng)用時(shí)DTR內(nèi)存溢出，應(yīng)禁止打開(kāi)。

表3 累計(jì)安裝多個(gè)APP-A應(yīng)用SIM內(nèi)存狀態(tài)變化

d）刪除SIM 卡內(nèi)多個(gè)APP-A 應(yīng)用后，SIM 內(nèi)存狀態(tài)變化如表4 所示，應(yīng)用APP-A：C7=25，D7=2，R=1，D=2；初始條件：SIM 已安裝5 個(gè)APP-A；當(dāng)前SIM 待分配內(nèi)存空間為2。

表4 刪除APP-A應(yīng)用SIM內(nèi)存狀態(tài)

4 總結(jié)

本文在JAVACARD 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)RTR 和DTR 內(nèi)存類(lèi)型管理原則基礎(chǔ)上，對(duì)SIM 應(yīng)用層待分配內(nèi)存空間進(jìn)行優(yōu)化管理，對(duì)待分配內(nèi)存空間不預(yù)設(shè)置分配內(nèi)存類(lèi)型，待分配空間可作為RTR 和DTR 混合使用，應(yīng)用刪除后釋放回收的內(nèi)存空間可作為RTR 和DTR 混合使用。本文結(jié)合應(yīng)用安裝、應(yīng)用選擇、應(yīng)用刪除等流程，定義了SIM 應(yīng)用層內(nèi)存空間管理原則、RTR 和DTR 內(nèi)存類(lèi)型管理原則、應(yīng)用安裝內(nèi)存申請(qǐng)管理規(guī)則、應(yīng)用刪除內(nèi)存回收管理原則、應(yīng)用選擇內(nèi)存溢出沖突管理原則和應(yīng)用開(kāi)發(fā)安裝內(nèi)存類(lèi)型推薦原則。本文定義的內(nèi)存管理方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：可指導(dǎo)SIM 卡外實(shí)體在應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段盡可能使用DTR 內(nèi)存類(lèi)型，少使用或者不使用RTR 內(nèi)存類(lèi)型，當(dāng)全部安裝只使用DTR 內(nèi)存類(lèi)型應(yīng)用時(shí)，DTR≤M/N+Dc時(shí)，可安裝無(wú)數(shù)個(gè)應(yīng)用，且不產(chǎn)生內(nèi)存溢出沖突；待分配內(nèi)存空間不預(yù)設(shè)置內(nèi)存類(lèi)型，可廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用類(lèi)型的安裝，避免傳統(tǒng)方法由于DTR＞Dc時(shí)應(yīng)用無(wú)法安裝的風(fēng)險(xiǎn)，本文可安裝的應(yīng)用DTR 最大值為M+Dc；指導(dǎo)SIM 應(yīng)用管理平臺(tái)合理使用D7參數(shù)，應(yīng)盡可能不用D7安裝參數(shù)，避免過(guò)度占用RTR 內(nèi)存、造成內(nèi)存資源浪費(fèi)；應(yīng)用刪除釋放的RTR 內(nèi)存，可回收作為DTR 或RTR 使用，提升了內(nèi)存回收管理的靈活性，有利于后續(xù)應(yīng)用的安裝使用。遵循本文定義的內(nèi)存管理原則，可最大程度提升SIM物理內(nèi)存利用率，裝載更多行業(yè)應(yīng)用。