Simulatore RAID
Guida Completa all'Uso

Introduzione

Il Simulatore RAID è uno strumento didattico realizzato come pagina HTML autonoma, che non richiede alcuna installazione né connessione a internet. È pensato per imparare a gestire array RAID software in ambiente Linux, utilizzando un terminale simulato che riproduce i comandi reali del sistema operativo.

Il simulatore permette di sperimentare in modo sicuro tutte le situazioni che si possono incontrare nella gestione reale di un array RAID: la creazione dell'array, il guasto di un disco, la diagnosi del problema, la sostituzione del disco guasto e la ricostruzione dei dati. Tutte queste operazioni vengono eseguite attraverso comandi digitati nel terminale, esattamente come si farebbe su un vero server Linux.

A cosa serve questo strumento

Usare il simulatore permette di:

• Capire come funzionano i diversi livelli RAID (0, 1, 5, 6, 10) nella pratica;
• Esercitarsi con i comandi mdadm, smartctl, dmesg e tutti gli altri strumenti Linux per la gestione dei dischi;
• Imparare a leggere lo stato dell'array e interpretare i messaggi di sistema;
• Praticare la procedura completa di recovery da un guasto senza rischiare dati reali;
• Sviluppare un metodo di lavoro ordinato: prima diagnostica, poi azione.

Concetti teorici fondamentali

Che cos'è un RAID

RAID è l'acronimo di Redundant Array of Independent Disks, che significa "gruppo ridondante di dischi indipendenti". Si tratta di una tecnologia che consente di unire più dischi fisici in un unico volume logico, con lo scopo di aumentare le prestazioni, la capacità o la tolleranza ai guasti, oppure una combinazione di questi tre obiettivi.

L'idea di base è semplice: anziché avere un solo disco grande che, se si guasta, fa perdere tutti i dati, si usano più dischi in modo coordinato. A seconda di come vengono organizzati, il sistema può continuare a funzionare anche se uno o più dischi si guastano.

Prestazioni, ridondanza e tolleranza ai guasti

Questi tre concetti sono fondamentali per capire le differenze tra i livelli RAID:

• Prestazioni: la velocità di lettura e scrittura dei dati. Alcuni livelli RAID distribuiscono i dati su più dischi, il che permette di leggere e scrivere in parallelo, aumentando la velocità.
• Ridondanza: la presenza di copie o informazioni di recupero dei dati. Grazie alla ridondanza, se un disco si guasta, i dati non vanno persi.
• Tolleranza ai guasti (fault tolerance): il numero massimo di dischi che possono guastarsi senza che l'array perda i dati. Un array con tolleranza 1 sopravvive al guasto di un solo disco; con tolleranza 2 può sopravvivere al guasto di due dischi contemporaneamente.

Striping

Lo striping (a strisce) è la tecnica di distribuire i dati in blocchi sequenziali su più dischi. Quando si scrive un file, i blocchi vengono scritti in parallelo su dischi diversi. Quando si legge, i blocchi vengono letti in parallelo. Il risultato è un aumento della velocità di trasferimento proporzionale al numero di dischi. Il lato negativo è che se un solo disco si guasta, tutti i dati dell'intero array sono persi, perché ogni file è spezzettato su più dischi e nessun disco contiene i dati completi.

Mirroring

Il mirroring (specchio) è la tecnica di copiare esattamente gli stessi dati su due o più dischi. Ogni dato scritto viene scritto su tutti i dischi in parallelo. In questo modo, se un disco si guasta, i dati sono ancora presenti sugli altri dischi. Il lato negativo è che si spreca capacità: con due dischi da 1 TB si ottiene solo 1 TB utile, perché l'altro disco è la copia esatta del primo.

Parità

La parità è una soluzione intermedia tra striping puro e mirroring. Invece di copiare tutti i dati, si calcola un'informazione di controllo chiamata appunto "parità" che permette di ricostruire i dati di un disco mancante. La parità viene calcolata con un'operazione logica chiamata XOR (OR esclusivo): se si conoscono tutti i blocchi tranne uno, si può ricostruire il blocco mancante combinando gli altri con la parità. Questo sistema permette di avere ridondanza sprecando meno spazio rispetto al mirroring.

RAID software vs RAID hardware

Il RAID può essere implementato in due modi:

• RAID hardware: un controller fisico (una scheda dedicata) gestisce autonomamente i dischi, presentando al sistema operativo un unico volume logico. È trasparente al sistema operativo ed è molto performante, ma costa di più.
• RAID software: è il sistema operativo stesso a gestire i dischi. In Linux, il programma responsabile è mdadm. Il RAID software è meno costoso e più flessibile, ma utilizza risorse del processore per i calcoli di parità.

Il simulatore riproduce il comportamento di un RAID software Linux gestito tramite mdadm.

I livelli RAID nel simulatore

Il simulatore supporta cinque livelli RAID: 0, 1, 5, 6 e 10. Ognuno ha caratteristiche molto diverse. È importante conoscerle bene per capire cosa succede durante le simulazioni.

Livelli RAID storici (non usabili nel simulatore)

Nella sezione documentazione del simulatore vengono citati anche RAID 2, 3 e 4. Questi sono livelli storici raramente usati oggi:

• RAID 2: usava codici di Hamming per il controllo degli errori. Completamente obsoleto.
• RAID 3: simile a RAID 5 ma con un disco dedicato alla parità (non rotante). La parità fissa crea un collo di bottiglia. Obsoleto.
• RAID 4: come RAID 3 ma con blocchi più grandi. Anche questo obsoleto, sostituito da RAID 5.

Questi livelli non sono simulabili nel laboratorio: servono solo per la cultura generale.

L'interfaccia del simulatore

Aprendo il file HTML nel browser, si vedono tre aree principali identificate da tre schede (tab) in alto: LAB, ESERCIZI e DOCUMENTAZIONE. In questa sezione vengono descritte tutte le parti visibili dell'interfaccia.

Le tre schede principali

• 🧪 LAB: è la scheda principale di lavoro. Contiene i controlli per creare l'array, la dashboard con lo stato e le statistiche, la griglia dei dischi e il terminale simulato.
• 🎓 ESERCIZI: permette di generare una prova con un codice univoco e uno scenario casuale. Pensata per le verifiche in classe.
• 📚 DOCUMENTAZIONE: contiene una guida teorica completa ai livelli RAID e le procedure di diagnosi e recovery, direttamente nel simulatore.

Il pulsante Teacher ON/OFF

Accanto alle schede si trova il pulsante Teacher: OFF/ON. Quando è disattivato (stato normale per gli studenti), i dischi nella griglia non sono cliccabili e il comando solution non è disponibile. Quando viene attivato in modalità Teacher, diventa possibile cambiare manualmente lo stato dei dischi cliccandoci sopra, e il comando solution mostra la soluzione dello scenario.

Sezione controlli (scheda LAB, colonna sinistra)

Nella parte alta della colonna sinistra si trovano i controlli per configurare l'array:

• Livello RAID: menu a tendina con le opzioni RAID 0, 1, 5, 6, 10. Permette di scegliere il tipo di array da simulare.
• Numero dischi: campo numerico (da 2 a 12). Il simulatore impone automaticamente il minimo richiesto dal livello RAID scelto, e per RAID 10 arrotonda al numero pari.
• Size disco (GB): dimensione in gigabyte di ogni disco. Tutti i dischi hanno la stessa dimensione.

Pulsanti principali

• Crea / Reset array: crea un nuovo array con i parametri selezionati, oppure resetta quello esistente. Azzera anche score, hints e azioni.
• Reset stati: riporta tutti i dischi allo stato OK senza ricreare l'array. Utile per tornare alla situazione iniziale senza perdere la configurazione.
• Guasto random: introduce un guasto casuale su uno dei dischi OK. Il tipo di guasto (FAILED, CRC, OVERHEAT, SLOW) viene scelto in modo casuale.
• Esercizio random: carica uno scenario di esercizio scelto casualmente tra quelli disponibili.

Dashboard — Capacità utile e Fault tolerance

Subito sotto i controlli si trovano due riquadri statistici:

• Capacità utile: mostra la capacità totale utilizzabile dell'array, calcolata in base al livello RAID, al numero di dischi e alla dimensione di ogni disco. La formula viene mostrata sotto il valore (es. (N−1) × size per RAID 5).
• Fault tolerance: mostra quanti dischi possono guastarsi senza perdere i dati. Per RAID 10 mostra "1 guasto per coppia (non nella stessa mirror)".

Stato del volume

La barra di stato mostra lo stato attuale dell'array con una spia luminosa colorata e il testo STATUS:

• OK — spia verde: array funzionante, nessun problema.
• DEGRADED — spia gialla: array funzionante ma con uno o più dischi guasti o rimossi. I dati sono ancora accessibili ma il sistema è a rischio.
• FAILED — spia rossa: array non funzionante. I dati non sono accessibili.

Accanto alla spia si trova una riga di testo più piccola che mostra i dettagli: livello RAID, numero di membri, dischi FAILED, dischi REMOVED, spares presenti e percentuale di rebuild se in corso.

Telemetria (simulata)

Il riquadro Telemetria mostra quattro valori che cambiano in tempo reale in base allo stato dei dischi:

• Temperature avg: temperatura media dei dischi attivi. Sale se ci sono dischi in OVERHEAT.
• IOPS (sim): operazioni al secondo stimate. Diminuisce in caso di guasti, rebuild o dischi lenti.
• CRC errors: numero di errori CRC rilevati sui dischi. Aumenta se ci sono dischi in stato CRC.
• Reallocated: numero di settori ricollocati sui dischi. Aumenta su dischi FAILED.

Timer e verifica

Il riquadro Verifica permette di impostare un timer per le verifiche a tempo:

• 5 min / 10 min: avvia un conto alla rovescia. Allo scadere del tempo appare un messaggio nel terminale con il punteggio finale.
• OFF: disattiva il timer.
• Score: punteggio accumulato completando le azioni corrette negli scenari.
• Hints used: numero di volte che è stato usato il comando hint. Ogni hint costa 3 punti.
• ⬇ Scarica report: equivalente al comando export nel terminale. Scarica il report in formato .txt.

Griglia dei dischi

La griglia mostra un riquadro per ogni disco dell'array. Ogni riquadro visualizza il nome del dispositivo (es. /dev/sda), lo stato del disco e, se in rebuild, una barra di avanzamento. Il colore del bordo indica lo stato: verde per OK, rosso per FAILED, giallo per rebuilding o OVERHEAT, grigio per REMOVED, blu per SPARE o CRC.

Scenario

Il riquadro Scenario mostra l'obiettivo dello scenario corrente, con la descrizione del problema e le azioni richieste. Quando si completa correttamente lo scenario, compare "✅ RISOLTO". Se la modalità Teacher è attiva, viene mostrata anche la soluzione.

Parità RAID5 (visual)

Accanto al terminale, questo riquadro mostra una rappresentazione testuale della distribuzione delle stripe di parità quando RAID 5 è selezionato. Utile per capire visivamente come funziona la parità rotante.

Il terminale simulato

Il terminale è l'elemento centrale del simulatore. Occupa la colonna destra della scheda LAB. Si presenta come una finestra nera con prompt dei comandi. I comandi vengono digitati nel campo di testo in basso e inviati con il tasto Invio o il pulsante "Invia". L'output appare in colori diversi a seconda del tipo di messaggio.

Scheda ESERCIZI

Nella scheda ESERCIZI si trovano due blocchi:

• Genera prova: crea una prova con un codice univoco (es. XK7M2P9Q), uno scenario scelto a caso e un obiettivo. Il pulsante "Carica questa prova nel LAB" trasferisce lo scenario nel terminale.
• Dettagli prova: mostra il codice, lo scenario, il seed e l'obiettivo della prova generata.

Avvio del simulatore: procedura base

Come interpretare gli stati OK, DEGRADED, FAILED

STATUS: OK — L'array funziona normalmente. Tutti i dischi sono operativi. I dati sono accessibili e la ridondanza è integra (per i livelli che ce l'hanno). Si può lavorare normalmente.

STATUS: DEGRADED — L'array funziona ancora, ma uno o più dischi sono FAILED o REMOVED. I dati sono ancora accessibili, ma la ridondanza è ridotta o assente. Se si guasta un altro disco (nei livelli con tolleranza 1), si rischia il FAILED. Bisogna intervenire il prima possibile.

STATUS: FAILED — L'array non funziona. I dati non sono accessibili. Il numero di guasti ha superato la tolleranza del livello RAID. L'unica soluzione è il restore da backup. I comandi di filesystem (mount, ls, cat) restituiscono errore.

Il terminale simulato

Il terminale è lo strumento principale con cui si lavora nel simulatore. Riproduce il comportamento di un terminale Linux reale, con un prompt, la possibilità di digitare comandi, la cronologia con i tasti freccia e output a colori.

Come si usa

Il campo di inserimento si trova in basso nel riquadro del terminale, accanto al prompt. Il prompt mostra lo stato attuale dell'array nella forma raidlab(OK)$ o raidlab(DEGRADED)$ o raidlab(FAILED)$. Questo è un indicatore prezioso: il prompt stesso rivela lo stato dell'array.

Per inviare un comando si preme Invio oppure il pulsante "Invia". Per scorrere la cronologia dei comandi precedenti si usano i tasti freccia su e giù.

Come leggere l'output

L'output del terminale usa colori diversi con significato preciso:

• Grigio/dimmed: output normale di informazioni (stato array, elenco dischi, ecc.).
• Verde: operazione completata con successo.
• Giallo: avviso (warning). Attenzione, qualcosa non va ma non è ancora critico.
• Rosso: errore. Il comando non ha avuto effetto o c'è un problema grave.
• Blu/info: informazione di sistema o messaggi di stato.

I chip in cima al terminale mostrano lo stato del filesystem (fs: none → fs: unmounted → fs: mounted@/mnt) e lo stato dell'esercizio (exercise: on/off).

Tutti i comandi disponibili

Di seguito vengono descritti tutti i comandi realmente presenti nel simulatore, nel formato: cosa fa, quando si usa, esempio e risultato atteso.

raidlab(DEGRADED)$ cat /proc/mdstat
Personalities : [raid0] [raid1] [raid5] [raid6] [raid10]
md0 : active raid5  /dev/sda[U] /dev/sdb[F] /dev/sdc[U] /dev/sdd[U]
      status=DEGRADED  blocks=3000GB  [ U_UU ]

unused devices: <none>

raidlab(DEGRADED)$ mdadm --detail /dev/md0
/dev/md0:
        Version : 1.2 (sim)
     Raid Level : raid5
     Array Size : 3000 GB
  Device Count  : 4
   Failed Disks : 1
  Removed Disks : 0
    Spare Disks : 0
        State   : DEGRADED
 Fault Tolerance: 1 disk(s) (didattica)

   Number   State           Device     Size
        0   OK              /dev/sda   1000GB
        1   FAILED          /dev/sdb   1000GB
        2   OK              /dev/sdc   1000GB
        3   OK              /dev/sdd   1000GB

raidlab(OK)$ lsblk
NAME   SIZE TYPE MOUNTPOINT
sda  1000G disk
sdb  1000G disk (failed)
sdc  1000G disk
sdd  1000G disk
md0  3000G raid5 /mnt

raidlab(DEGRADED)$ dmesg | tail
[14:22:01] WARN: /dev/sdb: disk FAILED (scenario)
[14:22:01] INFO: md0: created RAID5 with 4 disks

raidlab(DEGRADED)$ smartctl -a /dev/sdb
smartctl 7.4 /dev/sdb (sim)
Device Model: SIMDISK 7K2

SMART overall-health: FAILED!

  5 Reallocated_Sector_Ct   ...   210   ← alto: disco guasto fisicamente
197 Current_Pending_Sector  ...    18   ← settori in attesa
199 UDMA_CRC_Error_Count    ...     0
194 Temperature_Celsius     ...    33

Come diagnosticare e risolvere un problema RAID

Questa sezione descrive la procedura corretta da seguire ogni volta che si incontra un problema con un array RAID. Il principio fondamentale è: prima capire, poi agire. Mai modificare l'array prima di avere un quadro chiaro della situazione.

cat /proc/mdstat

mdadm --detail /dev/md0

dmesg | tail

smartctl -a /dev/sdb

mdadm --remove /dev/md0 /dev/sdb

mdadm --add /dev/md0 /dev/sde

mdadm --rebuild /dev/md0

cat /proc/mdstat

Stati dei dischi e del volume

Stati dei singoli dischi

Stati del volume (array)

La documentazione integrata

La scheda 📚 DOCUMENTAZIONE contiene una guida teorica completa direttamente nel simulatore, organizzata in due pannelli selezionabili:

• Guida completa RAID: spiega in dettaglio tutti i livelli RAID con diagrammi visivi della distribuzione dei blocchi, tabelle comparative e consigli su quando usare ciascun livello.
• Procedure complete: organizzata in quattro sezioni interne (Diagnosi RAID, Recovery RAID, Errori non fatali, Filesystem su RAID) con le procedure passo passo, esempi di output reali e spiegazioni dettagliate di ogni comando.

Come si usa: fare clic sulla scheda DOCUMENTAZIONE in alto. Si apre il pannello "Guida completa RAID". Per accedere alle procedure, fare clic sul secondo pannello e poi navigare tra le quattro sezioni usando i pulsanti interni (🔍 5.1 Diagnosi RAID, 🔧 5.2 Recovery RAID, ecc.).

Il report finale

Il report è un documento testuale che riassume l'intera sessione di lavoro. È uno strumento fondamentale per la valutazione in laboratorio.

Come generare il report

Ci sono due modi equivalenti:

• Digitare report nel terminale per visualizzarlo a schermo.
• Digitare export oppure cliccare il pulsante "⬇ Scarica report" per scaricarlo come file .txt.

Cosa contiene il report

• Timestamp (data e ora della generazione).
• Codice prova (se è stata usata la funzione Genera prova).
• Scenario caricato e modalità (LAB o EXERCISE).
• Configurazione array: livello RAID, numero di dischi, dimensione, capacità, stato.
• Punteggio finale e numero di hints usati.
• Elenco di tutti i dischi con il loro stato finale.
• Ultimi messaggi dmesg.
• Cronologia completa di tutte le azioni eseguite nel terminale, con timestamp.

Quando va generato

Generare il report al termine del lavoro, dopo aver completato lo scenario o risolto il problema. Il report deve essere consegnato insieme al codice prova (se presente) come prova del lavoro svolto.

Errori comuni da evitare

1. Confondere RAID 1 con RAID 10

RAID 1 fa mirroring su tutti i dischi: con 4 dischi da 1 TB la capacità è 1 TB e la tolleranza è 3 guasti. RAID 10 divide i dischi in coppie mirror e le mette in stripe: con 4 dischi da 1 TB la capacità è 2 TB ma si tollera 1 solo guasto per coppia. Non sono la stessa cosa. In RAID 10, se si guastano entrambi i dischi della stessa coppia, l'array è FAILED anche se tutti gli altri dischi funzionano perfettamente.

2. Non leggere mdstat prima di agire

Molti studenti si precipitano a digitare comandi di recovery senza prima capire la situazione. Questo porta a operazioni errate. Il primo comando da eseguire è sempre cat /proc/mdstat, seguito da mdadm --detail /dev/md0. Solo dopo aver capito cosa è successo si può decidere l'azione corretta.

3. Tentare il rebuild su un array FAILED

Se l'array è FAILED, il rebuild non è possibile. Il simulatore lo impedisce con un messaggio di errore. Un array FAILED significa che i dati sono persi e serve il restore da backup. Non ha senso cercare di ricostruire: la soluzione corretta è usare conclude restore da backup.

4. Usare i comandi fuori ordine

La sequenza corretta per il recovery è: (1) diagnosi → (2) fail → (3) remove → (4) add → (5) rebuild. Saltare passaggi porta a errori. Ad esempio, non è possibile rimuovere un disco che non è stato prima marcato FAILED. Non è possibile avviare il rebuild senza uno spare. Non è possibile montare il filesystem se l'array è FAILED.

5. Interpretare male la capacità utile

La capacità utile non è mai uguale alla capacità totale dei dischi (tranne RAID 0). Con RAID 5 e 4 dischi da 1 TB si ottengono 3 TB (non 4 TB). Con RAID 6 e 6 dischi da 1 TB si ottengono 4 TB (non 6 TB). La capacità "persa" viene usata per la parità o il mirroring, ed è il prezzo da pagare per la ridondanza.

6. Non distinguere CRC errors da guasto fisico

Un disco con molti errori CRC ma Reallocated_Sector_Ct = 0 non è necessariamente guasto: il problema potrebbe essere il cavo SATA. Prima di sostituire un disco, analizzare attentamente i dati SMART. Sostituire un disco sano è uno spreco e non risolve il problema se il cavo è difettoso.

7. Confondere DEGRADED con FAILED

DEGRADED non significa che i dati sono persi. L'array DEGRADED funziona ancora e i dati sono accessibili. È una situazione di rischio, non di disastro. FAILED invece significa che i dati non sono accessibili. Non confondere i due stati porta a reazioni sbagliate: panico inutile su un DEGRADED, oppure indifferenza pericolosa (non intervenire tempestivamente).

8. Aggiungere uno spare troppo piccolo

Se si aggiunge un disco con dimensione inferiore a quella dei dischi dell'array, il rebuild fallirà con l'errore "spare too small". Prima di aggiungere un disco con --add, verificare sempre la dimensione con fdisk -l o con il parametro --size nel comando --add.

Conclusione

Il simulatore RAID è uno strumento completo per imparare a gestire array RAID in modo pratico e sicuro. Attraverso l'uso del terminale simulato si acquisisce familiarità con i comandi reali di Linux e si sviluppa un metodo di lavoro ordinato e metodico.

I concetti fondamentali da ricordare al termine di questo percorso sono:

• Ogni livello RAID ha caratteristiche diverse in termini di capacità, prestazioni e tolleranza ai guasti. Conoscere queste differenze è essenziale per scegliere il livello giusto e per capire come comportarsi in caso di guasto.
• La procedura di recovery segue sempre lo stesso ordine: diagnosi → identificazione → rimozione → sostituzione → rebuild → verifica. Non saltare mai i passi.
• Il report finale è la documentazione del lavoro svolto. Va generato e consegnato al termine di ogni sessione.
• Il RAID non sostituisce il backup. In caso di array FAILED, serve sempre un restore da backup esterno.

Utilizzando regolarmente questo simulatore si diventerà più rapidi e sicuri nella gestione di situazioni reali, sviluppando quelle competenze pratiche che sono fondamentali per chi lavora nell'amministrazione di sistemi.

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