Capítulo 3 — Física para la computación
Mapa de la lección
Lección 03 publicada. Mapa, ejemplo, EX006.
flowchart TD
N0["Resultados de aprendizaje y conexión"]
N1["3.1 Electricidad para el ingeniero de sistemas"]
N2["3.2 Señales, ruido y enlaces"]
N3["3.3 Calor y vida útil"]
N4["3.4 Física y seguridad"]
N5["3.6 Actividad práctica"]
N6["Síntesis del capítulo"]
N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6
N6 --> EX["Ejemplo resuelto"]
EX --> Q["Ejercicio EX006"]
Dibujo lógico
flowchart LR
N0["Resultados de aprendizaje y conexión"]
N1["3.1 Electricidad para el ingeniero de sistemas"]
N2["3.2 Señales, ruido y enlaces"]
N3["3.3 Calor y vida útil"]
N4["3.4 Física y seguridad"]
N5["3.6 Actividad práctica"]
N6["Síntesis del capítulo"]
N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6 --> Q["EX006"]
[Resultados de aprendizaje y conexión]
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[3.1 Electricidad para el ingeniero de sistemas]
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[3.2 Señales, ruido y enlaces]
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[3.3 Calor y vida útil]
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[3.4 Física y seguridad]
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[3.6 Actividad práctica]
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[Síntesis del capítulo]
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[Ejemplo resuelto] --> [Ejercicio EX006]
Resultados de aprendizaje y conexión
Al terminar este capítulo, usted podrá (1) usar la ley de Ohm, la potencia y la energía para dimensionar los suministros de respaldo de los equipos de control y de comunicación; (2) explicar la propagación de señales, el ruido y la atenuación lo suficiente para leer un balance de enlace; (3) relacionar el calor, la temperatura y la vida de los componentes con la confiabilidad de los gabinetes de campo; y (4) identificar los canales laterales físicos y los efectos electromagnéticos que importan para la seguridad. Se apoya en los capítulos 1–2 y prepara el capítulo 8 (arquitectura de computadoras) y el capítulo 11 (redes).
3.1 Electricidad para el ingeniero de sistemas
La tensión $V$ (voltios) impulsa la corriente $I$ (amperios) a través de la resistencia $R$ (ohmios): $V = IR$. La potencia es $P = VI$ vatios; la energía es la potencia integrada en el tiempo, $E = \int P\,dt$, que suele expresarse en vatios-hora. Una RTU de campo que consume 0,5 A a 24 V usa 12 W; con un módem LTE de 6 W y un pequeño conmutador Ethernet de 8 W, la carga del gabinete es de 26 W. Una batería de 24 V y 40 Ah almacena nominalmente 960 Wh; la energía utilizable es menor porque las baterías no deben descargarse por completo y su capacidad cae con la edad y el frío. Con una fracción utilizable de 0,6 y una eficiencia de conversión del 85 %, el gabinete funciona durante $960 \times 0.6 \times 0.85 / 26 \approx 18.8$ horas. Ese número es un requisito de seguridad, no un detalle de mantenimiento: si un corte de energía forma parte de un ataque, una telemetría que muere a las dos horas deja ciego al operador justo cuando más la necesita. El ataque a la red eléctrica de Ucrania de diciembre de 2015 incluyó la inutilización de los sistemas de alimentación ininterrumpida de los centros de control, según el caso de uso defensivo de E-ISAC y SANS y la alerta de CISA IR-ALERT-H-16-056-01.
3.2 Señales, ruido y enlaces
Las señales viajan por el cobre a una fracción significativa de la velocidad de la luz y por la fibra a aproximadamente dos tercios de ella, de modo que 100 km de fibra añaden unos 0,5 ms en un sentido: poco en comparación con los retardos de protocolo y de colas (capítulo 36). Los enlaces de radio pierden potencia con la distancia y los obstáculos; los ingenieros expresan ganancias y pérdidas en decibelios (dB), donde +3 dB es aproximadamente el doble de potencia y +10 dB, diez veces. Un balance de enlace suma la potencia del transmisor y las ganancias de las antenas y resta las pérdidas de trayecto y de cable; lo que queda por encima de la sensibilidad del receptor es el margen de desvanecimiento. Shannon (1948) demostró que la capacidad de un canal depende del ancho de banda y de la relación señal/ruido, $C = B\log_2(1 + S/N)$. La consecuencia para la seguridad: un inhibidor de señal no necesita romper ninguna criptografía; solo necesita reducir $S/N$ por debajo de lo que el enlace necesita. La disponibilidad de la telemetría por radio es una propiedad física antes que criptográfica.
3.3 Calor y vida útil
Los componentes electrónicos fallan antes cuando están calientes. Una regla práctica de ingeniería muy usada, derivada de la relación de Arrhenius, dice que muchos mecanismos de falla duplican aproximadamente su tasa por cada aumento de 10 °C; trátela como una heurística que debe sustituirse por los datos del fabricante. Un gabinete sellado junto a la carretera, bajo el sol del verano, puede estar mucho más caliente que el aire. Implicaciones de diseño: reducir la carga nominal, ventilar o refrigerar, y monitorear la temperatura del gabinete; un aumento repentino también puede indicar una puerta que quedó abierta.
En los gabinetes de LRWA junto a la carretera, el sensor de temperatura debe informar al SCADA junto con la tensión de la batería, para que una tendencia ascendente sea visible antes de que los componentes envejezcan prematuramente.
3.4 Física y seguridad
Los efectos físicos filtran información y permiten provocar fallas. El consumo de energía y las emanaciones electromagnéticas pueden revelar claves criptográficas (canales laterales); los fallos inducidos de tensión o de reloj pueden hacer que un procesador se salte instrucciones; las filas de DRAM perturbadas por accesos repetidos pueden invertir bits en sus vecinas, como demostraron Kim et al. (2014). En la infraestructura, el acceso físico a los gabinetes de campo suele ser más fácil que el acceso por red, así que estos ataques no son exóticos. Los interruptores antimanipulación, los envolventes sellados y las claves guardadas fuera del dispositivo son los controles físicos.
En LRWA, el gabinete de cada estación de bombeo aloja la RTU y, tras el TMRP, su almacén de claves.
3.5 Ejemplo resuelto: autonomía del gabinete de PS4 (sintético)
El requisito R5 del TMRP de LRWA establece que la telemetría de campo debe sobrevivir a un corte de la red eléctrica de 24 horas. El gabinete previsto para PS4 consume 26 W. La energía utilizable necesaria con una eficiencia del 85 % es $26 \times 24 / 0.85 \approx 734$ Wh; con una fracción utilizable de 0,6, la capacidad nominal debe ser de al menos $734/0.6 \approx 1{,}224$ Wh, o unos 51 Ah a 24 V. Los ingenieros redondean hacia arriba a un banco estándar de 65 Ah para tener en cuenta el envejecimiento (la capacidad suele especificarse hasta un fin de vida del 80 %: $65 \times 0.8 = 52$ Ah, que sigue cumpliendo el requisito). Un diseño que cumpliera R5 solo con la batería nueva lo incumpliría en el tercer año.
3.6 Actividad práctica
Sin código: construya una hoja de cálculo o un script de diez líneas que calcule la autonomía de la batería a partir de la carga (W), la capacidad nominal (Wh), la fracción utilizable, la eficiencia y el factor de capacidad al fin de vida. Reproduzca §3.5 y, luego, añada un calefactor de gabinete de 15 W que funciona siempre que la temperatura exterior está por debajo de 0 °C, y vuelva a calcular. Use la carga de gabinete de 26 W, la eficiencia del 85 %, la fracción utilizable de 0,6 y el factor de fin de vida del 80 % del ejemplo resuelto, de modo que su primer resultado reproduzca la elección de 65 Ah. Después añada el calefactor y vea cuánto crece el requisito. Escriba la respuesta como una comprobación de requisito, no como un único número: indique si el banco sigue cumpliendo las 24 horas de R5 al fin de vida con tiempo frío y qué cambiaría si no lo hace. Mantenga visibles las unidades en cada columna.
3.7 Errores comunes y límites
- Dimensionar con la capacidad nominal de placa de la batería en lugar de la capacidad utilizable al fin de vida y con frío.
- Olvidar que el camino de comunicaciones (estaciones base celulares, repetidores de fibra) tiene su propia dependencia energética, fuera de su control.
- Tratar la protección criptográfica como protección de la disponibilidad.
- Usar reglas prácticas (la duplicación cada 10 °C) como predicciones precisas.
Cada uno de estos errores haría que R5 pareciera cumplido sobre el papel mientras se incumple en la práctica. Dimensionar para una batería nueva es el más común, porque el déficit solo aparece en el tercer año. Olvidar la dependencia energética del operador importa en LRWA porque la red LTE comparte el alimentador F1 con PS3. Tratar el cifrado como protección de la disponibilidad es el malentendido que el EX006 le pide corregir, y una regla práctica usada como predicción da un número de apariencia precisa sin ninguna base real detrás.
Ejercicios — capítulo 3
EX005 — Autonomía con calefactor. Objetivo: dimensionar el almacenamiento de energía con una carga condicional. Entradas: §3.5–3.6. Pasos: calcule la capacidad nominal necesaria al fin de vida si el calefactor de 15 W funciona 10 de las 24 horas. Evidencia esperada: cálculo con unidades. Rúbrica: 3 = se aplican correctamente la energía y los factores de eficiencia, fracción utilizable y fin de vida; 2 = falta un factor; 1 = unidades erróneas; 0 = nada.
EX006 — Inhibición de señal frente a cifrado. Objetivo: separar confidencialidad e integridad de disponibilidad. Entradas: un comentario de revisión de diseño: «La telemetría LTE está cifrada, así que los ataques por radio están mitigados». Pasos: escriba una respuesta de 150 palabras que explique qué mitiga y qué no mitiga el cifrado y proponga dos controles físicos o de arquitectura. Evidencia esperada: la respuesta. Rúbrica: 3 = razonamiento sobre la inhibición y S/N, controles que abordan la disponibilidad (camino diverso, autonomía local, detección de la pérdida de enlace); 2 = controles genéricos; 1 = se mantiene la idea errónea; 0 = nada.
Síntesis del capítulo
La energía, la señal y el calor son el punto donde lo cibernético se encuentra con lo físico. Dimensione la energía de respaldo para las condiciones de fin de vida y para la interrupción completa que incluye el modelo de amenazas; trate la disponibilidad por radio como una cuestión de relación señal/ruido, no de criptografía; diseñe los gabinetes pensando en el calor; y recuerde que el acceso físico abre canales laterales y ataques por inducción de fallas que ningún cortafuegos ve.
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