Capítulo 3 — Física para computação | Engenharia Segurança de infraestrutura crítica e setores

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Mapa da aula

Aula 03 publicada. Mapa, exemplo, EX006.

flowchart TD
  N0["3.1 Eletricidade para o engenheiro de sistemas"]
  N1["3.2 Sinais, ruído e enlaces"]
  N2["3.3 Calor e vida útil"]
  N3["3.4 Física e segurança"]
  N4["3.6 Atividade prática"]
  N5["Síntese do capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5
  N5 --> EX["Exemplo resolvido"]
  EX --> Q["Exercício EX006"]

Desenho lógico

flowchart LR
  N0["3.1 Eletricidade para o engenheiro de sistemas"]
  N1["3.2 Sinais, ruído e enlaces"]
  N2["3.3 Calor e vida útil"]
  N3["3.4 Física e segurança"]
  N4["3.6 Atividade prática"]
  N5["Síntese do capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> Q["EX006"]

[3.1 Eletricidade para o engenheiro de sistemas]
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[3.2 Sinais, ruído e enlaces]
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[3.3 Calor e vida útil]
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[3.4 Física e segurança]
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[3.6 Atividade prática]
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[Síntese do capítulo]
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[Exemplo resolvido] --> [Exercício EX006]

Objetivos de aprendizagem e conexão

Ao fim deste capítulo você será capaz de (1) usar a lei de Ohm, potência e energia para dimensionar fontes de reserva para equipamentos de controle e de comunicação; (2) explicar propagação de sinais, ruído e atenuação o suficiente para ler um balanço de enlace; (3) relacionar calor, temperatura e vida útil de componentes com a confiabilidade de armários de campo; e (4) identificar canais laterais físicos e efeitos eletromagnéticos que importam para a segurança. Ele se apoia nos capítulos 1–2 e prepara o Capítulo 8 (arquitetura de computadores) e o Capítulo 11 (redes).

3.1 Eletricidade para o engenheiro de sistemas

A tensão $V$ (volts) impulsiona a corrente $I$ (ampères) através da resistência $R$ (ohms): $V = IR$. A potência é $P = VI$ watts; a energia é a potência integrada no tempo, $E = \int P\,dt$, geralmente expressa em watts-hora. Uma RTU de campo que consome 0,5 A a 24 V usa 12 W; com um modem LTE de 6 W e um pequeno switch Ethernet de 8 W, a carga do armário é de 26 W. Uma bateria de 24 V e 40 Ah armazena nominalmente 960 Wh; a energia utilizável é menor, porque as baterias não devem ser totalmente descarregadas e a capacidade cai com a idade e com o frio. Com uma fração utilizável de 0,6 e eficiência de conversão de 85%, o armário funciona por $960 \times 0.6 \times 0.85 / 26 \approx 18.8$ horas. Esse número é um requisito de segurança, não um detalhe de manutenção: se uma falta de energia faz parte de um ataque, uma telemetria que morre após duas horas cega o operador exatamente quando ele precisa dela. O ataque à rede elétrica ucraniana de dezembro de 2015 incluiu a desativação de nobreaks em centros de controle, segundo o caso de uso de defesa do E-ISAC e do SANS e o alerta IR-ALERT-H-16-056-01 da CISA.

3.2 Sinais, ruído e enlaces

Os sinais percorrem o cobre a uma fração significativa da velocidade da luz e a fibra a cerca de dois terços dela, então 100 km de fibra acrescentam cerca de 0,5 ms em um sentido — pouco em comparação com os atrasos de protocolo e de filas (Capítulo 36). Enlaces de rádio perdem potência com a distância e com obstáculos; os engenheiros expressam ganhos e perdas em decibéis (dB), em que +3 dB é cerca do dobro da potência e +10 dB, dez vezes. Um balanço de enlace soma a potência do transmissor e os ganhos das antenas e subtrai as perdas de percurso e de cabo; o que sobra acima da sensibilidade do receptor é a margem de desvanecimento. Shannon (1948) mostrou que a capacidade de um canal depende da largura de banda e da relação sinal-ruído, $C = B\log_2(1 + S/N)$. A consequência para a segurança: um interferidor (jammer) não precisa quebrar nenhuma criptografia; basta reduzir $S/N$ abaixo do que o enlace precisa. A disponibilidade da telemetria por rádio é uma propriedade física antes de ser uma propriedade criptográfica.

3.3 Calor e vida útil

Componentes eletrônicos falham mais depressa quando estão quentes. Uma regra prática de engenharia muito usada, derivada da relação de Arrhenius, é que muitos mecanismos de falha dobram aproximadamente de taxa a cada 10 °C de aumento; trate-a como uma heurística a ser substituída pelos dados do fabricante. Um armário vedado à beira da estrada, sob o sol do verão, pode ficar muito mais quente do que o ar. Implicações de projeto: reduza a carga nominal, ventile ou resfrie, e monitore a temperatura do armário — uma subida repentina também pode indicar uma porta deixada aberta.

Nos armários de beira de estrada da LRWA, o sensor de temperatura deve reportar ao SCADA junto com a tensão da bateria, para que uma tendência de alta fique visível antes que os componentes envelheçam precocemente.

3.4 Física e segurança

Efeitos físicos vazam informação e permitem falhas. O consumo de energia e as emanações eletromagnéticas podem revelar chaves criptográficas (canais laterais); falhas provocadas de tensão ou de clock (glitches) podem fazer um processador pular instruções; linhas de DRAM perturbadas por acessos repetidos podem inverter bits nas vizinhas, como demonstraram Kim et al. (2014). Em infraestrutura, o acesso físico a armários de campo costuma ser mais fácil do que o acesso pela rede, então esses ataques não são exóticos. Chaves de violação, gabinetes vedados e chaves criptográficas guardadas fora do dispositivo são os controles físicos.

Na LRWA, o armário de cada estação de bombeamento abriga a RTU e, depois do TMRP, seu repositório de chaves.

3.5 Exemplo resolvido: autonomia do armário da PS4 (sintético)

O requisito R5 do TMRP da LRWA diz que a telemetria de campo deve sobreviver a uma falta de energia de 24 horas na rede elétrica. O armário planejado da PS4 consome 26 W. A energia utilizável necessária, com 85% de eficiência, é $26 \times 24 / 0.85 \approx 734$ Wh; com fração utilizável de 0,6, a capacidade nominal deve ser de pelo menos $734/0.6 \approx 1{,}224$ Wh, ou cerca de 51 Ah a 24 V. Os engenheiros arredondam para um banco padrão de 65 Ah para levar em conta o envelhecimento (a capacidade costuma ser especificada até o fim da vida útil em 80%: $65 \times 0.8 = 52$ Ah, que ainda atende ao requisito). Um projeto que só atendesse a R5 com a bateria nova falharia no terceiro ano.

3.6 Atividade prática

Sem código: monte uma planilha ou um script de dez linhas que calcule a autonomia da bateria a partir da carga (W), da capacidade nominal (Wh), da fração utilizável, da eficiência e do fator de capacidade no fim da vida útil. Reproduza a §3.5 e depois acrescente um aquecedor de armário de 15 W que funciona sempre que a temperatura externa está abaixo de 0 °C, e recalcule. Use a carga de 26 W do armário, a eficiência de 85%, a fração utilizável de 0,6 e o fator de fim de vida útil de 80% do exemplo resolvido, para que seu primeiro resultado reproduza a escolha de 65 Ah. Depois acrescente o aquecedor e veja quanto o requisito cresce. Escreva a resposta como uma verificação de requisito, não como um número isolado: diga se o banco ainda atende às 24 horas de R5 no fim da vida útil em tempo frio e o que você mudaria se não atender. Mantenha as unidades visíveis em todas as colunas.

3.7 Erros comuns e limites

Dimensionar pela capacidade de placa da bateria, em vez da capacidade utilizável no fim da vida útil e no frio.
Esquecer que o caminho de comunicação (estações rádio base celulares, repetidores de fibra) tem sua própria dependência de energia, fora do seu controle.
Tratar a proteção criptográfica como proteção da disponibilidade.
Usar regras práticas (dobrar a cada 10 °C) como previsões precisas.

Cada um desses erros faria R5 parecer atendido no papel enquanto falha na prática. Dimensionar para uma bateria nova é o mais comum, porque o déficit só aparece no terceiro ano. Esquecer a dependência de energia da operadora importa na LRWA porque a rede LTE compartilha o alimentador F1 com a PS3. Tratar a cifração como proteção da disponibilidade é o mal-entendido que o EX006 pede que você corrija, e uma regra prática usada como previsão dá um número de aparência precisa sem nenhuma base real por trás.

Exercícios — capítulo 3

EX005 — Autonomia com aquecedor. Objetivo: dimensionar o armazenamento de energia com uma carga condicional. Entradas: §§3.5–3.6. Passos: calcule a capacidade nominal necessária no fim da vida útil se o aquecedor de 15 W funcionar 10 das 24 horas. Evidência esperada: cálculo com unidades. Rubrica: 3 = energia, eficiência, fração utilizável e fator de fim de vida útil aplicados corretamente; 2 = um fator ausente; 1 = unidades erradas; 0 = nada.

EX006 — Interferência versus cifração. Objetivo: separar confidencialidade e integridade de disponibilidade. Entradas: um comentário de revisão de projeto: "A telemetria LTE é cifrada, então os ataques por rádio estão mitigados". Passos: escreva uma resposta de 150 palavras que explique o que a cifração mitiga e o que não mitiga e proponha dois controles físicos ou de arquitetura. Evidência esperada: resposta. Rubrica: 3 = raciocínio sobre interferência e S/N, controles que tratam da disponibilidade (caminho diverso, autonomia local, detecção de perda de enlace); 2 = controles genéricos; 1 = equívoco mantido; 0 = nada.

Síntese do capítulo

Energia, sinal e calor são onde o cibernético encontra o físico. Dimensione a energia de reserva para as condições de fim de vida útil e para a interrupção completa que o modelo de ameaças inclui; trate a disponibilidade do rádio como uma questão de relação sinal-ruído, não de criptografia; projete os armários para o calor; e lembre-se de que o acesso físico abre canais laterais e ataques por injeção de falhas que nenhum firewall vê.