Las radiofrecuencias en los entornos industriales

En el año 1838, Cooke y Wheatstone llevaron a cabo el primer envío de información mediante un sistema telegráfico entre Londres y West Drayton (21 km). Desde aquel entonces, el envío de señales ha ido evolucionando hasta la actualidad, donde las comunicaciones de radio son utilizadas, entre otras cosas, para el intercambio de información con coches, mediciones de sensores que permiten optimizar los procesos, aplicaciones médicas para las lecturas a pacientes, etc.

El mundo de la radio frecuencia (RF), se refiere a las señales transmitidas a través de ondas electromagnéticas que van desde los 3Hz hasta los 300GHz.

De entre todas las bandas de radio frecuencia existentes en el espectro electromagnético, este artículo se centrará tanto en comunicaciones comprendidas en un rango de baja frecuencia (LF) que va desde los 30 a los 300 kHz y cuya longitud de onda cubre entre 1 y 10km de espacio, como en la alta frecuencia (HF) que va desde los 3 a los 30 MHz y cuya longitud de onda cubre entre los 10 y los 100 metros de espacio.

- Rangos existentes en radio frecuencia (RF) -

Comunicaciones de alta y baja frecuencia en Sistemas de Control Industrial

Dentro de las comunicaciones radio, tenemos que tener en cuenta los siguientes conceptos:

• Las ondas radio se propagan de forma esférica y equitativa por el emisor al igual que la luz.
• Cuando se habla de atenuación de una onda, se refiere a la reducción en la amplitud que tiene esta en el medio cuando es transmitida por el emisor.
• La unidad de medida que permite saber la atenuación que puedan tener estas ondas es el decibelio (dB), utilizados para dimensionar la atenuación de las señales.

El uso de las comunicaciones de radio en los entornos industriales está marcado por diferentes factores que condicionan la propagación de las ondas e influyen en su atenuación, entre los que se encuentran:

• Distancia: espacio que separa al emisor del receptor. Comúnmente, en los entornos industriales se suelen dar casos en los que el emisor y el receptor están a bastantes kilómetros de distancia.
• Medio físico: este factor se refiere a la cantidad de obstáculos que existirá entre el emisor y el receptor. Dado que en la industria los despliegues pueden realizarse en lugares como túneles, galerías subterráneas, paredes de edificación, etc., es importante tener esto en cuenta a la hora de diseñar la infraestructura de comunicaciones a desplegar.
• Fenómenos meteorológicos y medioambientales: condiciones atmosféricas como lluvias, nevadas, tormentas, etc., junto con el posible polvo o polución que se registre en la atmósfera, son también factores a tener muy en cuenta a la hora de utilizar comunicaciones de radio. Mucha de la infraestructura que poseen las empresas industriales suele ubicarse en entornos al aire libre por lo que, además de tener dispositivos ruguerizados, las comunicaciones de estos también deben soportar condiciones adversas para preservar la disponibilidad del servicio.
• Antenas: son elementos clave para la comunicación entre emisor y receptor. La estabilidad de las comunicaciones de radio dependerá directamente de la ganancia que tienen las mismas. Típicamente, en la industria se utilizan antenas que están especialmente diseñadas y construidas para funcionar en ambientes adversos e industriales con unos niveles de protección IP.
• Zona Fresnel: volumen de espacio que existe entre el emisor y el receptor de una onda.

Algunos ejemplos en el mundo industrial que utilizan las comunicaciones de radio a baja y alta frecuencia pueden verse en:

• La recopilación de información en sensores desplegados a lo largo de una fábrica.
• Etiquetas para la lectura de información (sector salud).
• Tracking de fabricación.
• Obtención de datos para el mundo IoT e industria 4.0.
• Etc.

Casos de ataques a baja y alta frecuencia en Sistemas de Control Industrial

Existen posibles ataques contra comunicaciones de radiofrecuencia que afectan a la disponibilidad, confidencialidad e integridad de las comunicaciones radio. Entre los más habituales se encuentran:

• Inhibiciones de señal: el uso de esta técnica tiene un fuerte impacto en la disponibilidad, el factor más importante dentro de la industria. Los ataques que originan denegaciones de servicio no son muy complejos de reproducir por los atacantes y suelen causar un gran impacto en los procesos.
• Evasión de autenticación: este tipo de ataques pueden originar una ejecución de comandos, anomalías en el proceso y hasta denegaciones de servicio en el caso de cargar un estado de “stop” constante. Algunos ejemplos reales son la evasión de autenticación en servidor web de Ewon o la evasión de autenticación en productos de Hetronic.
• Reinyecciones de tráfico: el uso de esta técnica en ciertos entornos puede derivar en un impacto que evoluciona del mundo lógico al físico. Por ejemplo, algunas válvulas dentro del sector de tratamiento de aguas, están reguladas vía comunicaciones radio, que permiten la apertura y cierre de las mismas. Una captura por parte de un atacante que reproduzca la misma señal a una distancia correcta de la válvula, permitiría al mismo interactuar con ella cambiando el estado a su antojo.

Además de estos ataques genéricos, existen otros más específicos para la tecnología RFID (Radio Frequency Identification), cada vez más extendida en entornos industriales, y que se basa en campos eléctricos o magnéticos de frecuencia de radio para transmitir información. Tanto el uso de etiquetas, como lectores o sistemas de gestión con aplicaciones relacionados que poseen la tecnología RFID, son utilizadas en el mundo industrial. Camiones que contienen esta tecnología para que, cada vez que pasan por una zona concreta de la planta, un lector permita conocer tanto el stock, como la procedencia del cargamento, etc., mejorando así la tarea de los operarios, son una clara muestra de su uso en entornos industriales. También se utilizan etiquetas RFID para la protección de contenedores, sellado de bolsas, gestión de paquetes, etc.

Ventajas de usar radio frecuencia en entornos industriales

Estas son algunas de las ventajas que proporciona el uso de las comunicaciones de radio en la industria:

• Versatilidad en lo que respecta al terreno que las comunicaciones de radio pueden llegar a cubrir. Para empresas industriales que poseen presencia a lo largo de un gran terreno y, además, este es de difícil acceso, el uso de este tipo de comunicaciones puede ser una buena opción.
• El ahorro en costes también es un dato a tener en cuenta, ya que no es necesaria una gran inversión en material para dar soporte de comunicación a un gran terreno.
• Aumento en la frecuencia y fiabilidad de la recopilación de los datos.
• Las redes de radio frecuencia que poseen las empresas industriales son privadas y, por ello, aportan una mayor seguridad en lo que a privacidad se refiere. También es necesario cumplir una serie de regulaciones a la hora de transmitir comunicaciones radio y el simple hecho de realizar escuchas pasivas en ciertas frecuencias, es considerado delito.
• Permiten el uso de diferentes protocolos sobre la misma capa de comunicaciones, dando al usuario una mayor flexibilidad.
• Módems adaptados a los entornos industriales. Los módems inalámbricos industriales suelen tener algún tipo de certificación UL. que permiten el funcionamiento por radio en presencia de gases, fluidos o vapores inflamables o explosivos. Tener esta certificación también es beneficioso porque se puede estandarizar un tipo de dispositivo y utilizarlo para muchas aplicaciones, independientemente del entorno.

Desventajas de usar radio frecuencia en entornos industriales

Estas son algunas de las desventajas que proporciona el uso de las comunicaciones de radio en la industria:

• Como en prácticamente todas las comunicaciones inalámbricas, la disponibilidad puede ser un gran problema si no se tienen en cuenta los factores atenuantes y posibles situaciones en las que los usuarios maliciosos pueden utilizar diferentes técnicas para modificar la comunicación o para inhibir la misma. Estos problemas ocasionados por la atenuación o por un posible atacante con dispositivos específicos para cortar la señal, son una de las grandes desventajas que posee el uso de las comunicaciones radio.
• Sumado a estas desventajas, el uso de dispositivos que trabajen a la misma frecuencia y puedan ser utilizados por atacantes con el objetivo de inyectar comandos, realizar ataques de reenvío de paquetes, etc., es otra de las debilidades y desventajas a tener en cuenta a la hora de proteger este tipo de comunicaciones y desplegarlas en un entorno de producción.

Buenas prácticas y lecciones aprendidas

Algunas de las buenas prácticas que pueden aplicarse a la hora de asegurar las comunicaciones de radio en entornos industriales son:

• Poseer un procedimiento seguro en el que fases como la de emparejado entre dispositivos se realicen con todas las medidas de seguridad activadas que poseen los dispositivos. Además, y en el caso de ser posible, es aconsejable modificar el código identificador en el emparejado para evitar suplantaciones maliciosas de dispositivos.
• Usar mecanismos antitampering en los dispositivos para evitar modificaciones y cargas no autorizadas de firmware que originen comportamientos anómalos. En este aspecto, es aconsejable siempre utilizar el último firmware oficial proporcionado por el fabricante, si es posible.
• Utilizar protocolos robustos que han sido probados, testeados y correctamente implementados evitando la seguridad por oscuridad.
• Uso de medidas perimetrales para evitar que posibles atacantes se acerquen al radio de actuación que poseen las comunicaciones y puedan de alguna forma inhibirlas o modificarlas.