Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Fallo en cascada

Una animación que muestra un típico fallo en cascada provocado por la pérdida de un único terminal en una red informática. Un fallo en cascada es un fallo en un sistema de parte...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Una animación que muestra un típico fallo en cascada provocado por la pérdida de un único terminal en una red informática.

Un fallo en cascada es un fallo en un sistema de partes interconectadas en el que el fallo de una o pocas partes provoca el fallo de otras, aumentando progresivamente como resultado de una retroalimentación positiva . Esto puede ocurrir cuando falla una sola parte, incrementando la probabilidad de que fallen otras partes del sistema. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Este tipo de fallo puede ocurrir en muchos tipos de sistemas, incluyendo la transmisión de energía, las redes informáticas, las finanzas, los sistemas de transporte, los organismos, el cuerpo humano y los ecosistemas.

Pueden producirse fallos en cascada cuando falla una parte del sistema. En ese caso, otras partes deben compensar la falla del componente defectuoso. Esto, a su vez, sobrecarga estos nodos, provocando también sus fallos, lo que a su vez genera fallos adicionales en cadena.

En la transmisión de potencia

El efecto cascada es común en las redes eléctricas cuando uno de los elementos falla (total o parcialmente) y transfiere su carga a elementos cercanos del sistema. Estos elementos cercanos, al sobrepasar su capacidad, se sobrecargan y transfieren su carga a otros elementos. El efecto cascada es frecuente en sistemas de alta tensión , donde un único punto de fallo (SPF) en un sistema con carga máxima o ligeramente sobrecargado provoca un pico repentino en todos los nodos del sistema. Esta sobretensión puede provocar el fallo de los nodos ya sobrecargados, desencadenando más sobrecargas y, por lo tanto, colapsando todo el sistema en muy poco tiempo.

Este proceso de falla se propaga en cascada a través de los elementos del sistema como una onda en un estanque y continúa hasta que prácticamente todos los elementos del sistema se ven comprometidos o el sistema se desconecta funcionalmente de la fuente de su carga. Por ejemplo, bajo ciertas condiciones, una gran red eléctrica puede colapsar tras la falla de un solo transformador.

La monitorización en tiempo real del funcionamiento de un sistema y la desconexión juiciosa de sus componentes pueden ayudar a detener una cascada de fallos. Otra técnica común consiste en calcular un margen de seguridad para el sistema mediante la simulación por ordenador de posibles fallos, para establecer niveles operativos seguros por debajo de los cuales no se prevé que ninguno de los escenarios calculados provoque fallos en cascada, e identificar las partes de la red con mayor probabilidad de causar dichos fallos. [ 4 ]

Uno de los principales problemas para prevenir fallas en la red eléctrica es que la velocidad de la señal de control no es mayor que la velocidad de la sobrecarga de potencia que se propaga; es decir, dado que tanto la señal de control como la energía eléctrica se mueven a la misma velocidad, no es posible aislar la interrupción enviando una advertencia con anticipación para aislar el elemento.

Ejemplos

Una falla en cascada provocó los siguientes cortes de energía :

En redes informáticas

También pueden producirse fallos en cascada en redes informáticas (como Internet ), donde el tráfico de red se ve gravemente afectado o interrumpido entre secciones importantes de la red, debido a fallos o desconexiones de hardware o software. En este contexto, el fallo en cascada se conoce como tal . Un fallo en cascada puede afectar a grandes grupos de personas y sistemas.

La causa de un fallo en cascada suele ser la sobrecarga de un único enrutador o nodo crucial, lo que provoca su caída, aunque sea momentánea. También puede deberse a la desconexión de un nodo para mantenimiento o actualizaciones. En ambos casos, el tráfico se redirige a través de una ruta alternativa. Esta ruta alternativa, como consecuencia, se sobrecarga, provocando su caída, y así sucesivamente. Esto también afectará a los sistemas que dependen de dicho nodo para su funcionamiento normal.

Síntomas

Los síntomas de una falla en cascada incluyen pérdida de paquetes y alta latencia de red , no solo en sistemas individuales, sino en secciones enteras de una red o internet. La alta latencia y la pérdida de paquetes se deben a que los nodos dejan de funcionar por colapso de congestión , lo que provoca que sigan presentes en la red, pero sin que pase prácticamente ninguna comunicación útil a través de ellos. Como resultado, las rutas pueden seguir considerándose válidas, aunque no proporcionen comunicación real.

Si se produce una caída en cascada de suficientes rutas, una sección completa de la red o de internet puede quedar inaccesible. Si bien no es deseable, esto puede acelerar la recuperación, ya que las conexiones caducarán y otros nodos dejarán de intentar establecer conexiones con la(s) sección(es) que se han interrumpido, lo que reduce la carga en los nodos afectados.

Un fenómeno común durante una falla en cascada es la falla en cadena, donde algunas secciones fallan, provocando la falla de la siguiente, tras lo cual la primera sección vuelve a funcionar. Este efecto dominó puede propagarse varias veces a través de las mismas secciones o nodos de conexión antes de que se restablezca la estabilidad.

Historia

Los fallos en cascada son un fenómeno relativamente reciente, derivado del aumento masivo del tráfico y la alta interconexión entre sistemas y redes. El término fue utilizado por primera vez en este contexto a finales de la década de 1990 por un profesional informático neerlandés y, poco a poco, se ha convertido en una expresión relativamente común para este tipo de fallos a gran escala.

Ejemplo

Los fallos de red suelen comenzar cuando falla un único nodo de red. Inicialmente, el tráfico que normalmente pasaría por ese nodo se interrumpe. Los sistemas y los usuarios reciben errores que indican que no pueden acceder a los hosts. Por lo general, los sistemas redundantes de un ISP responden con mucha rapidez, eligiendo una ruta alternativa a través de una red troncal diferente. Esta ruta alternativa es más larga, con más saltos y, por consiguiente, pasa por más sistemas que normalmente no procesan la cantidad de tráfico que se genera repentinamente.

Esto puede provocar la caída de uno o más sistemas a lo largo de la ruta alternativa, creando problemas similares por sí mismos.

En este caso, los sistemas relacionados también se ven afectados. Por ejemplo, la resolución DNS podría fallar y lo que normalmente provocaría la interconexión de sistemas, podría interrumpir conexiones que ni siquiera están directamente involucradas en los sistemas que fallaron. Esto, a su vez, puede causar problemas en nodos aparentemente no relacionados, lo que puede provocar otra falla en cascada.

En diciembre de 2012, se produjo una interrupción parcial (40 %) del servicio de Gmail a nivel mundial, que duró 18 minutos. Esta interrupción se debió a una actualización rutinaria del software de equilibrio de carga que contenía una lógica defectuosa; en este caso, el error se originó por el uso de la lógica con el parámetro "all" en lugar del más apropiado "some". [ 5 ] El error en cascada se solucionó actualizando completamente un único nodo de la red en lugar de actualizar parcialmente todos los nodos a la vez.

Fallo estructural en cascada

Ciertas estructuras portantes con componentes estructurales discretos pueden estar sujetas al "efecto cremallera", donde la falla de un solo elemento estructural aumenta la carga en los elementos adyacentes. En el caso del colapso de la pasarela del Hyatt Regency , una pasarela suspendida (que ya estaba sobrecargada debido a un error de construcción) falló cuando falló una sola barra de suspensión vertical, sobrecargando las barras vecinas que fallaron secuencialmente (es decir, como una cremallera ). Un puente que puede sufrir tal falla se denomina crítico por fractura, y numerosos colapsos de puentes han sido causados ​​por la falla de una sola parte. Las estructuras diseñadas correctamente utilizan un factor de seguridad adecuado y/o trayectorias de carga alternativas para prevenir este tipo de falla en cascada mecánica. [ 6 ]

Cascada de fracturas

Reacción en cadena de fracturas osteoporóticas

La cascada de fracturas es un fenómeno geológico que describe la reacción en cadena de fracturas subsiguientes provocada por una sola fractura. [ 7 ] La fractura inicial conduce a la propagación de fracturas adicionales, generando un efecto en cascada en todo el material.

Las cascadas de fracturas pueden ocurrir en diversos materiales, incluyendo rocas, hielo, metales y cerámica. [ 8 ] Un ejemplo común es la flexión de los espaguetis secos , que en la mayoría de los casos se rompen en más de dos pedazos, como observó por primera vez Richard Feynman . [ 8 ]

En el contexto de la osteoporosis , una cascada de fracturas es el aumento del riesgo de fracturas óseas posteriores a una inicial. [ 9 ]

Otros ejemplos

Biología

En biología existen cascadas bioquímicas , donde una pequeña reacción puede tener repercusiones en todo el sistema. Un ejemplo negativo es la cascada isquémica , en la que un pequeño ataque isquémico libera toxinas que destruyen muchas más células que las dañadas inicialmente, lo que provoca una mayor liberación de toxinas. La investigación actual busca la manera de bloquear esta cascada en pacientes con accidente cerebrovascular para minimizar el daño.

En el estudio de la extinción, a veces la extinción de una especie provoca la extinción de muchas otras. A dicha especie se la conoce como especie clave .

Electrónica

Otro ejemplo es el generador Cockcroft-Walton , que también puede sufrir fallos en cascada, en los que un diodo defectuoso puede provocar que todos los demás diodos fallen en una fracción de segundo.

Otro ejemplo de este efecto en un experimento científico fue la implosión, en 2001, de varios miles de frágiles tubos fotomultiplicadores de vidrio utilizados en el experimento Super-Kamiokande , donde la onda expansiva causada por la falla de un solo detector parece haber desencadenado la implosión de los demás detectores en una reacción en cadena.

Finanzas

En finanzas , el riesgo de que se produzcan fallos en cascada en las instituciones financieras se denomina riesgo sistémico : el fallo de una institución financiera puede provocar el fallo de otras instituciones financieras (sus contrapartes ), en cascada por todo el sistema. Las instituciones que se consideran que representan un riesgo sistémico se clasifican como " demasiado grandes para quebrar " (TBTF, por sus siglas en inglés) o "demasiado interconectadas para quebrar" (TICTF, por sus siglas en inglés), según el motivo por el que parecen suponer una amenaza.

Cabe señalar, sin embargo, que el riesgo sistémico no se debe a las instituciones individuales en sí mismas, sino a las interconexiones. En la literatura de investigación se han desarrollado marcos para estudiar y predecir los efectos de las fallas en cascada. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Un tipo de fallo en cascada relacionado (aunque distinto) en las finanzas se produce en el mercado de valores, ejemplificado por el Flash Crash de 2010. [ 12 ]

Fallos en cascada interdependientes

Ilustración de la relación de interdependencia entre diferentes infraestructuras.

Diversas infraestructuras como el suministro de agua , el transporte , el combustible y las centrales eléctricas están interconectadas y dependen unas de otras para su funcionamiento (véase la figura 1). Debido a esta interconexión, las redes interdependientes son extremadamente sensibles a fallos aleatorios, y en particular a ataques dirigidos , de modo que el fallo de una pequeña fracción de nodos en una red puede desencadenar una cascada iterativa de fallos en varias redes interdependientes. [ 13 ] [ 14 ] Los apagones eléctricos suelen ser consecuencia de una cascada de fallos entre redes interdependientes, y el problema se ha ejemplificado dramáticamente con los numerosos apagones a gran escala ocurridos en los últimos años. Los apagones son una demostración fascinante del importante papel que desempeñan las dependencias entre redes. Por ejemplo, el apagón de Italia de 2003 provocó un fallo generalizado de la red ferroviaria , los sistemas sanitarios y los servicios financieros , y además afectó gravemente a las redes de telecomunicaciones . El fallo parcial del sistema de comunicaciones, a su vez, perjudicó aún más el sistema de gestión de la red eléctrica , generando así una retroalimentación positiva en la red eléctrica. [ 15 ] Este ejemplo destaca cómo la interdependencia puede magnificar significativamente el daño en un sistema de red interactivo.

Modelo para fallas en cascada por sobrecarga

Un modelo para fallas en cascada debido a la propagación de sobrecarga es el modelo de Motter-Lai. [ 16 ]

Véase también

  • Apagones  – Pérdida de energía eléctrica en un área
  • Sistema frágil  : concepto en la teoría de sistemas.
  • Efecto mariposa  : idea de que las pequeñas causas pueden tener grandes efectos.
  • Fallo bizantino  : fallo en un sistema informático que presenta síntomas diferentes a distintos observadores. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redireccionamiento.
  • Reversión en cascada  : operación de base de datos que restaura un estado anterior. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redirección.
  • Reacción en cadena  : cadena de eventos que se autoamplifican.
  • Teoría del caos  : campo de las matemáticas y la ciencia basado en sistemas no lineales y condiciones iniciales.
  • Caída de caché  : fallo en la computación paralela
  • Colapso por congestión  : reducción de la calidad del servicio debido al alto tráfico de red. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento.
  • Efecto dominó  : efecto acumulativo que se produce cuando un evento desencadena una cadena de otros eventos.
  • Por falta de un clavo  – Proverbio Páginas que muestran descripciones cortas sin espacios
  • Ciencia de redes  – Campo académico
  • Teoría de redes  : estudio de los grafos como representación de las relaciones entre objetos discretos.
  • Redes interdependientes  – Subcampo de la ciencia de redes
  • Síndrome de Kessler  : cascada teórica de colisión de satélites
  • Teoría de la percolación  : teoría matemática sobre el comportamiento de grupos conectados en un grafo aleatorio.
  • Colapso progresivo  – Tipo de colapso de edificios
  • Círculo virtuoso y círculo vicioso  : secuencia de eventos que se refuerzan a sí mismos. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento.
  • Problema complejo  : problema que es difícil o imposible de resolver.

Referencias

  1. ↑ Mahmoud, Magdi S.; Xia, Yuanqing (2019). «Métodos de seguridad ciberfísica». Sistemas de control en red . págs. 389–456 . doi : 10.1016/B978-0-12-816119-7.00017-4 . ISBN  978-0-12-816119-7Un fallo en cascada es un tipo de fallo en un sistema compuesto por partes interconectadas, en el que el fallo de una parte puede desencadenar el fallo de las partes siguientes. Este tipo de fallo es común en redes informáticas y sistemas de alimentación eléctrica.
  2. ↑ Farrell, Alexander E.; Zerriffi, Hisham (2004). «Energía eléctrica: protección de infraestructuras críticas». Enciclopedia de la energía . págs. 203–215 . doi : 10.1016/B0-12-176480-X/00516-7 . ISBN  978-0-12-176480-7. Fallo en cascada: Una interrupción en un punto de una red que provoca una interrupción en otros puntos, lo que lleva a un fallo catastrófico del sistema.
  3. ↑ Ulrich, Mike (2016). "Abordando fallas en cascada" . En Murphy, Niall Richard; Beyer, Betsy; Jones, Chris; Petoff, Jennifer (eds.). Ingeniería de confiabilidad de sitios: cómo Google gestiona sistemas de producción . O'Reilly. ISBN 978-1-4919-5117-0.
  4. ↑ Zhai, Chao (2017). "Modelado e identificación de fallas en cascada en el peor de los casos en sistemas de energía". arXiv : 1703.05232 [ cs.SY ].
  5. ↑ "Por qué se cayó Gmail: Google configuró mal los servidores de equilibrio de carga (Actualizado)" . 11 de diciembre de 2012.
  6. ↑ Petroski, Henry (1992). Ser ingeniero es humano: El papel del fracaso en el diseño estructural . Vintage. ISBN 978-0-679-73416-1.
  7. ↑ Baveye, P; Boast, CW (2017). «Geometría fractal, procesos de fragmentación y la física de la invariancia de escala: una introducción». En Baveye, Philippe; Parlange, Jean-Yves; Stewart, Bobby A (eds.). Fractales en la ciencia del suelo . doi : 10.1201/9781315151052 . ISBN 978-1-315-15105-2.
  8. 1 2 Heisser, Ronald H.; Patil, Vishal P.; Stoop, Norbert; Villermaux, Emmanuel; Dunkel, Jörn (28 de agosto de 2018). "Control de cascadas de fracturas mediante torsión y enfriamiento" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 115 (35): 8665– 8670. arXiv : 1802.05402 . Bibcode : 2018PNAS..115.8665H . doi : 10.1073/pnas.1802831115 . PMC 6126751. PMID 30104353 .  
  9. ↑ Melton, L Joseph; Amin, Shreyasee (26 de junio de 2013). "¿Existe una 'cascada' de fracturas específica?" . BoneKEy Reports . 2 : 367. doi : 10.1038/bonekey.2013.101 . PMC 3935254 . PMID 24575296 .  
  10. ↑ Acemoglu, Daron; Ozdaglar, Asuman; Tahbaz-Salehi, Alireza (febrero de 2015). "Riesgo sistémico y estabilidad en las redes financieras". American Economic Review . 105 (2): 564– 608. doi : 10.1257/aer.20130456 . hdl : 1721.1/100979 .
  11. ↑ Gai, Prasanna; Kapadia, Sujit (8 de agosto de 2010). "Contagio en redes financieras". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 466 (2120): 2401– 2423. Bibcode : 2010RSPSA.466.2401G . doi : 10.1098/rspa.2009.0410 .
  12. 1 2 Elliott, Matthew; Golub, Benjamin; Jackson, Matthew O. (octubre de 2014). "Redes financieras y contagio" . American Economic Review . 104 (10): 3115– 3153. doi : 10.1257/aer.104.10.3115 .
  13. ↑ "Informe de la Comisión para evaluar la amenaza que supone para Estados Unidos un ataque de pulso electromagnético (EMP)" (PDF) .
  14. ↑ Rinaldi, SM; Peerenboom, JP; Kelly, TK (2001). "Identificación, comprensión y análisis de las interdependencias de la infraestructura crítica". IEEE Control Systems Magazine . 21 (6): 11– 25. Bibcode : 2001ICSys..21f..11R . doi : 10.1109/37.969131 .
  15. ↑ V. Rosato, Issacharoff, L., Tiriticco, F., Meloni, S., Porcellinis, SD, & Setola, R. (2008). "Modelado de infraestructuras interdependientes mediante modelos dinámicos interactivos". International Journal of Critical Infrastructures . 4 ( 1– 2) 16092: 63– 79. Bibcode : 2008IJCI....4...63R . doi : 10.1504/IJCIS.2008.016092 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  16. ↑ Motter, Adilson E.; Lai, Ying-Cheng (20 de diciembre de 2002). "Ataques basados ​​en cascadas en redes complejas". Physical Review E . 66 (6) 065102. arXiv : cond-mat/0301086 . Bibcode : 2002PhRvE..66f5102M . doi : 10.1103/PhysRevE.66.065102 . PMID 12513335 . 

Lecturas adicionales

  • Guo, Hengdao; Zheng, Ciyan; Iu, Herbert Ho-Ching; Fernando, Tyrone (diciembre de 2017). "Una revisión crítica del análisis de fallas en cascada y el modelado de sistemas de energía". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 80 : 9–22 . Bibcode : 2017RSERv..80....9G . doi : 10.1016/j.rser.2017.05.206 .
  • 宮崎, 敏幸 (marzo 2005).結合相関を持つSFネットワークにおけるカスケード故障に対する防御戦略の比較[ Comparación de estrategias de defensa para Desglose en cascada en redes SF con correlaciones de grado ] (Tesis) (en japonés). hdl : 10119/542 .
  • Russ Cooper (1 de junio de 2005). "¿Inseguro Shell?" . RedmondMag.com. Archivado del original el 28 de septiembre de 2007. Consultado el 8 de septiembre de 2007 .
  • Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. (5 de febrero de 2007). "Cascade Net (programa de simulación)" . Centro para la Defensa y la Seguridad Nacional. Archivado del original el 28 de diciembre de 2008. Consultado el 8 de septiembre de 2007 .
  • Clima espacial: Apagón — Fallo masivo de la red eléctrica
  • Applet de demostración de fallos en cascada (Laboratorio Virtual de la Universidad de Monash)
  • Crucitti, Paolo; Latora, Vito; Marchiori, Massimo (29 de abril de 2004). "Modelo para fallas en cascada en redes complejas". Physical Review E . 69 (4) 045104. arXiv : cond-mat/0309141 . Bibcode : 2004PhRvE..69d5104C . doi : 10.1103/PhysRevE.69.045104 . PMID 15169056 . 
  • Estrategias de protección contra fallas en cascada de la red eléctrica: un enfoque simplificado
  • Dobson, Ian; Carreras, Benjamin A.; Newman, David E. (enero de 2005). "Un modelo dependiente de la carga de fallas en cascada probabilísticas". Probabilidad en las ciencias de la ingeniería y la información . 19 (1): 15– 32. doi : 10.1017/S0269964805050023 .
  • Nova: Accidente del vuelo 111 el 2 de septiembre de 1998. El vuelo 111 de Swissair, que cubría la ruta Nueva York-Ginebra, se estrelló en el océano Atlántico frente a la costa de Nueva Escocia con 229 personas a bordo. Inicialmente se creyó que se trató de un acto terrorista. Tras una investigación de 39 millones de dólares, una indemnización de la aseguradora de 1.500 millones de dólares y más de cuatro años de investigación, los investigadores desentrañaron el enigma: una cadena de fallos. ¿Cuál es el legado del Swissair 111? «Tenemos una visión de la estructura interna del diseño, los controles y equilibrios, la protección y la seguridad». -David Evans, editor jefe de Air Safety Week.
  • Noticia de PhysicsWeb: Un accidente obliga a paralizar un laboratorio de neutrinos.
  • La estructura y la dinámica de las redes organizativas a gran escala (Dan Braha, Instituto de Sistemas Complejos de Nueva Inglaterra)
  • De una sola red a una red de redes. Archivado el 14 de noviembre de 2015 en Wayback Machine.