RHEL 中逻辑卷的重复数据删除和压缩。
在 LVM 上部署 VDO 以增加存储容量
摘要
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第 1 章 LVM 的 VDO 介绍
Virtual Data Optimizer(VDO)为存储提供内联块级的重复数据删除(deduplication)、压缩和精简置备。您可以将 VDO 作为逻辑卷管理器(LVM)逻辑卷(LVM)的一种类型(类似于 LVM 精简配置的卷)来管理。
LVM (LVM-VDO)上的 VDO 卷包含以下组件:
- VDO 池 LV
- 这是用于 VDO LV 存储、重复数据删除和压缩的后端物理设备。VDO 池 LV 设置 VDO 卷的物理大小,即 VDO 可保存到磁盘中的数据量。
- 目前,每个 VDO 池 LV 只能有一个 VDO LV。因此,VDO 会单独去重和压缩每个 VDO LV。存储在单独 LV 上的重复数据不会从同一 VDO 卷的数据优化中受益。
- VDO LV
- 这是 VDO 池 LV 上的虚拟置备设备。VDO LV 设定 VDO 卷的置备和逻辑大小,即应用程序在重复数据删除和压缩发生前可写入卷的数据量。
如果您已经熟悉了 LVM 精简配置实现的结构,您可以参考表 1.1 ,以了解 VDO 的不同方面是如何呈现给系统的。
表 1.1. LVM 和 LVM 精简置备的 VDO 组件的比较
物理设备 | 置备的设备 | |
---|---|---|
LVM 上的 VDO | VDO 池 LV | VDO LV |
LVM 精简配置 | 精简池(thin poll) | 精简卷(thin volume) |
因为 VDO 是精简置备的,所以文件系统和应用程序只会看到正在使用的逻辑空间,而不是实际可用的物理空间。使用脚本来监控可用的物理空间,并在使用超过阈值时产生一个报警。有关监控可用的 VDO 空间的详情,请参考 监控 VDO 部分。
第 2 章 LVM-VDO 要求
LVM 上的 VDO 对其放置和系统资源有一定要求。
2.1. VDO 内存要求
每个 VDO 卷有不同的内存要求:
- VDO 模块
VDO 需要固定的 38 MB RAM 和几个变化的量:
- 配置的每 1 MB 的块映射缓存需要 1.15 MB 的 RAM。块映射缓存至少需要 150MB RAM。
- 每 1 TB 的逻辑空间需要 1.6 MB 的 RAM。
- 卷管理的每 1 TB 的物理存储需要 268 MB 的 RAM。
- UDS 索引
通用去除重复数据服务(UDS)至少需要 250 MB 的 RAM,这也是去除重复数据所使用的默认数量。您可以在格式化 VDO 卷时配置值,因为该值也会影响索引所需的存储量。
UDS 索引所需的内存由索引类型和重复数据删除窗口所需大小决定:
索引类型 重复数据删除窗口 备注 密度
每 1 GB RAM 为 1 TB
1GB 密度索引一般足以满足 4TB 物理存储空间。
稀疏
每 1 GB RAM 为 10 TB
1 GB 稀疏索引一般足以满足40TB 物理存储空间。
注意使用默认设置的 2 GB slab 和 0.25 密集索引的 VDO 卷的最小磁盘使用量大约需要 4.7 GB。这以 0% 去除重复数据或压缩的比率提供了略低于 2 GB 的物理数据的写入。
这里,最小的磁盘用量是默认 slab 大小和密度索引的总和。
UDS 稀疏索引功能是 VDO 推荐的模式。它依赖于数据的时间局部性,并尝试只在内存中保留最重要的索引条目。使用稀疏索引,UDS 维护一个重复数据删除窗口,它是密度的10 倍,但使用相同数量的内存。
稀疏索引提供了最高的覆盖,但密度索引提供了更多的重复数据删除建议。对于大多数工作负载,如果内存量相同,则密度和稀疏索引间的重复数据删除率的不同会微不足道。
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2.2. VDO 存储空间要求
您可以将 VDO 卷配置为使用最多 256TB 物理存储。只有物理存储的某个部分可用来存储数据。本节提供了计算 VDO 管理的卷的可用空间大小的方法。
VDO 需要为两种类型的 VDO 元数据和 UDS 索引进行存储:
- 第一类 VDO 元数据对于每 4GB 物理贮存使用 1 MB,再加上每个 slab 的额外的 1 MB。
- 第二类 VDO 元数据对于每 1GB 逻辑存储使用 1.25 MB,并舍入到最近的 slab。
- UDS 索引所需的存储量取决于索引类型以及分配给索引的 RAM 量。对于每 1 GB RAM,密度 UDS 索引使用 17GB 存储,稀疏 UDS 索引使用 170 GB 存储。
2.3. 按物理大小划分的 VDO 要求示例
下表根据基础卷的物理大小提供 VDO 的最大系统要求。每个表列出了适合预期部署的需求,如主存储或备份存储。
具体数量取决于您的 VDO 卷的配置。
- 主存储部署
在主存储中,UDS 索引是物理大小的 0.01% 到 25%。
表 2.1. 主存储的存储和内存要求
物理大小 RAM 使用量:UDS RAM 使用量:VDO 磁盘用量 索引类型 10GB–1TB
250MB
472MB
2.5GB
密度
2–10TB
1GB
3GB
10GB
密度
250MB
22GB
稀疏
11–50TB
2GB
14GB
170GB
稀疏
51-100TB
3GB
27GB
255GB
稀疏
101–256TB
12GB
69GB
1020GB
稀疏
- 备份存储部署
在备份存储中,UDS 索引覆盖了备份组的大小,但小于物理大小。如果您预期备份集或物理大小在以后会增大,则需要把这个值加到索引大小中。
表 2.2. 备份存储的存储和内存要求
物理大小 RAM 使用量:UDS RAM 使用量:VDO 磁盘用量 索引类型 10GB–1TB
250MB
472MB
2.5 GB
密度
2–10TB
2GB
3GB
170GB
稀疏
11–50TB
10GB
14GB
850GB
稀疏
51-100TB
20GB
27GB
1700GB
稀疏
101–256TB
26GB
69GB
3400GB
稀疏
2.4. 在存储堆栈中放置 LVM-VDO
您必须将特定的存储层放在 VDO 逻辑卷下,并在上面放置其他存储层。
您可以将thick 置备的层放在 VDO 的顶部,但您不能依赖该情况下精简置备的保证。因为 VDO 层是精简置备的,精简置备的效果适用于所有在它上面的层。如果您不监控 VDO 卷,您可能使用完在 VDO 以上的 thick-provisioned 卷的所有物理空间。
以下层支持的放置位于 VDO 下。不要将它们放在 VDO 上:
- DM Multipath
- DM Crypt
- Software RAID(LVM 或 MD RAID)
不支持以下配置:
- VDO 位于回送设备之上
- 加密的卷位于 VDO 之上
- VDO 卷中的分区
- 位于 VDO 卷之上的 RAID,比如 LVM RAID、MD RAID 或者其它类型
- 在 LVM-VDO 上部署 Ceph Storage
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第 3 章 创建重复数据删除和压缩的逻辑卷
您可以创建使用 VDO 功能的 LVM 逻辑卷来重复数据删除和压缩数据。
3.1. LVM-VDO 部署情况
您可以以不同的方式部署 VDO on LVM(LVM-VDO)以提供重复数据删除的存储:
- 块访问
- 文件访问
- 本地存储
- 远程存储
因为 LVM-VDO 会将重复数据删除存储作为常规逻辑卷(LV)形式公开,所以您可以在标准文件系统、iSCSI 和 FC 目标驱动程序或者统一存储中使用它。
目前不支持在 LVM-VDO 上部署 Ceph Storage。
- KVM
您可以在配置了直接附加存储的 KVM 服务器中部署 LVM-VDO。
- 文件系统
您可以在 VDO LV 上创建文件系统,并将其公开给使用 NFS 服务器或 Samba 的 NFS 或 CIFS 用户。
- iSCSI 目标
您可以将 VDO LV 的整个导出为 iSCSI 目标到远程 iSCSI 启动器。
- 加密
DM Crypt 等设备映射器(DM)机制与 VDO 兼容。加密 VDO LV 卷有助于确保数据安全性,且所有 VDO LV 以上的文件系统仍会重复使用。
重要如果对数据进行了重复数据删除,则在应用 VDO LV 上面应用加密层不会产生太大效果。在 VDO 可以对它们进行重复数据删除前,加密会使重复数据块不同。
始终将加密层放在 VDO LV 下。
3.2. LVM-VDO 卷的物理和逻辑大小
这部分论述了 VDO 可以使用的物理大小、可用物理大小和逻辑大小。
- 物理大小
这与分配给 VDO 池 LV 的物理区块大小相同。VDO 使用这个存储用于:
- 用户数据,这些数据可能会进行重复数据删除和压缩
- VDO 元数据,如 UDS 索引
- 可用物理大小
这是 VDO 可用于用户数据的物理大小的一部分。
它等同于物理大小减去元数据的大小,向下舍入到 slab 大小的倍数。
- 逻辑大小
这是 VDO LV 出现在应用程序中置备的大小。它通常大于可用的物理大小。VDO 目前支持任意逻辑卷大小最多为物理卷的 254 倍,但不能超过 4 PB。
当您设置 VDO 逻辑卷(LV)时,可以指定 VDO LV 出现的逻辑存储量。在托管活跃虚拟机或容器时,红帽建议使用 10:1 逻辑和物理比例置备存储:也就是说,如果您使用 1TB 物理存储,您将会把它显示为 10TB 逻辑存储。
如果没有指定
--virtualsize
选项,VDO 会将卷置备为1:1
比例。例如,如果您将 VDO LV 放在 20GB VDO 池 LV 的上面,如果使用默认索引大小,VDO 为 UDS 索引保留 2.5 GB。剩余的 17.5 GB 为 VDO 元数据和用户数据提供。因此,要消耗的可用存储不超过 17.5 GB,且可能会因为组成实际 VDO 卷的元数据而减少。
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3.3. VDO 中的 Lab 大小
VDO 卷的物理存储被分成几个 slab。每个 slab 都是物理空间的连续区域。给定卷的所有 slab 的大小相同,可以是基于 128 MB 的 2 的指数的任何值,最大值为 32 GB。
默认的 slab 大小为 2 GB,以便于在较小的测试系统上评估 VDO。单个 VDO 卷最多可有 8192 个 slabs。因此,在使用 2GB slab 的默认配置中,允许的最大物理存储为 16 TB。当使用 32GB 的 slab 时,允许的最大物理存储为 256 TB。VDO 总是保留至少一个整个 slab 来保存元数据,因此预留 slab 无法用于存储用户数据。
slab 大小不影响 VDO 卷的性能。
表 3.1. 根据物理卷大小推荐的 VDO slab 大小
物理卷大小 | 推荐的 slab 大小 |
---|---|
10–99 GB | 1 GB |
100 GB – 1 TB | 2 GB |
2–256 TB | 32 GB |
使用默认设置的 2 GB slab 和 0.25 密集索引的 VDO 卷的最小磁盘使用量大约需要 4.7 GB。这以 0% 去除重复数据或压缩的比率提供了略低于 2 GB 的物理数据的写入。
这里,最小的磁盘用量是默认 slab 大小和密度索引的总和。
您可以通过向 lvcreate
命令提供 --config 'allocation/vdo_slab_size_mb=size-in-megabytes'
选项来控制 slab 大小。
3.4. 安装 VDO
此流程安装创建、挂载和管理 VDO 卷所需的软件。
流程
安装 VDO 软件:
# yum install lvm2 kmod-kvdo vdo
3.5. 创建 LVM-VDO 卷
这个过程在 VDO 池 LV 中创建 VDO 逻辑卷(LV)。
先决条件
- 安装 VDO 软件。如需更多信息,请参阅安装 VDO。
- 在您的系统中有一个有可用存储容量的 LVM 卷组。
步骤
为您的 VDO LV 选择一个名称,如
vdo1
。您必须为系统中的每个 VDO LV 使用不同的名称和设备。在以下步骤中,将 vdo-name 替换为名称。
创建 VDO LV:
# lvcreate --type vdo \ --name vdo-name --size physical-size --virtualsize logical-size \ vg-name
- 使用您要放置 VDO LV 的现有 LVM 卷组的名称替换 vg-name。
- 使用 VDO LV 存在的逻辑存储数量替换 logical-size。
如果物理大小大于 16TiB,请添加以下选项以将卷的 slab 大小增加到 32GiB:
--config 'allocation/vdo_slab_size_mb=32768'
如果您在大于 16TiB 的物理大小中使用 2GiB 的默认 slab 大小,则
lvcreate
命令会失败并显示以下错误:ERROR - vdoformat: formatVDO failed on '/dev/device': VDO Status: Exceeds maximum number of slabs supported
例 3.1. 为容器存储创建 VDO LV
例如,要为 1TB VDO 池中的容器存储创建 VDO LV,您可以使用:
# lvcreate --type vdo \ --name vdo1 --size 1T --virtualsize 10T \ vg-name
重要如果在创建 VDO 卷时发生故障,请删除要清理的卷。
在 VDO LV 上创建文件系统:
对于 XFS 文件系统:
# mkfs.xfs -K /dev/vg-name/vdo-name
对于 ext4 文件系统:
# mkfs.ext4 -E nodiscard /dev/vg-name/vdo-name
其他资源
-
lvmvdo(7)
手册页
3.6. 挂载 LVM-VDO 卷
这个过程会在 LVM-VDO 卷中手动挂载文件系统,也可以永久挂载文件系统。
先决条件
- 您的系统中有 LVM-VDO 卷。如需更多信息,请参阅创建 LVM-VDO 卷。
步骤
要手动将文件系统挂载到 LVM-VDO 卷中,请使用:
# mount /dev/vg-name/vdo-name mount-point
要将文件系统配置为在引导时自动挂载,请在
/etc/fstab
文件中添加行:对于 XFS 文件系统:
/dev/vg-name/vdo-name mount-point xfs defaults 0 0
对于 ext4 文件系统:
/dev/vg-name/vdo-name mount-point ext4 defaults 0 0
如果 LVM-VDO 卷位于需要网络的块设备中,如 iSCSI,请添加
_netdev
挂载选项。对于 iSCSI 和其它需要网络的块设备,请查看systemd.mount (5)
手册页,了解有关_netdev
挂载选项的信息。
其他资源
-
systemd.mount(5)
手册页
3.7. 在 LVM-VDO 卷中更改压缩和重复数据删除设置
这个过程启用或禁用 VDO 池逻辑卷(LV)的压缩和重复数据删除。
默认启用压缩和重复数据删除。
先决条件
- 您的系统中有 LVM-VDO 卷。
步骤
要找出逻辑卷中是否启用或禁用压缩和重复数据删除:
# lvs -o+vdo_compression,vdo_deduplication
查找运行活跃 VDOPoolLV 的重复数据删除索引的压缩状态和状态:
# lvs -o+vdo_compression_state,vdo_index_state
vdo_index_state
可以显示为error
,close
,opening
,closing
,online
, 和offline
。启用或禁用 VDOPoolLV 的压缩:
# lvchange --compression y|n vg-name/vdopoolname
为 VDOPoolLV 启用或禁用 deduplication:
# lvchange --deduplication y|n vg-name/vdopoolname
其他资源
-
lvmvdo(7)
手册页
3.8. 使用虚拟数据优化器管理精简配置
可以通过配置精简配置的 VDO 卷准备以后扩展物理空间,以便解决 VDO 卷使用 100% 的条件。例如,在 lvcreate
操作中不使用 -l 100%FREE
而是使用例如 '95%FREE' ,以确保稍后会根据需要进行恢复。这个步骤描述了如何解决这个问题:
- 卷耗尽空间
- 文件系统进入只读模式
- 卷报告的 ENOSPC
解决 VDO 卷中高物理空间使用的最佳方法是删除未使用的文件,并使用在线丢弃这些未使用文件的块或 fstrim
程序。VDO 卷的物理空间只能增加到 8192 slab,对于一个默认 slab 大小为 2 GB 的 VDO 卷为 16 TB,或对于一个具有 32 GB 的 VDO 卷为 256 TB 。
在以下步骤中,将 myvg 和 myvdo 分别替换为卷组和逻辑卷名称。
先决条件
- 安装 VDO 软件。如需更多信息,请参阅安装 VDO。
- 在您的系统中有一个有可用存储容量的 LVM 卷组。
-
使用
lvcreate --type vdo --name myvdo myvg -L logical-size-of-pool --virtualsize virtual-size-of-vdo
命令的精简配置 VDO 卷。如需更多信息,请参阅创建 LVM-VDO 卷。
步骤
确定精简置备 VDO 卷的最佳逻辑大小
# vdostats myvg-vpool0-vpool Device 1K-blocks Used Available Use% Space saving% myvg-vpool0-vpool 104856576 29664088 75192488 28% 69%
要计算空间节省率,请使用以下公式:
Savings ratio = 1 / (1 - Space saving%)
在本例中,
-
大约有
3.22:1
个空间节省率(大约 80 GB)。 - 如果对使用相同空间节省的数据写入 VDO 卷,则按比例增加数据集大小乘以 256 GB。
- 将这个数字调整到 200 GB 时,如果出现相同的空间节省率,则会产生一个具有安全可用磁盘空间的逻辑大小。
-
大约有
监控 VDO 卷中的空闲物理空间:
# vdostats myvg-vpool0-vpool
可定期执行这个命令,以提供对 VDO 卷使用的和空闲物理空间的监控。
可选:使用可用的
/usr/share/doc/vdo/examples/monitor/monitor_check_vdostats_physicalSpace.pl
脚本,查看 VDO 卷上的物理空间使用量警告:# /usr/share/doc/vdo/examples/monitor/monitor_check_vdostats_physicalSpace.pl myvg-vpool0-vpool
在创建 VDO 卷时,
dmeventd
监控服务监控 VDO 卷中物理空间的使用情况。当 VDO 卷被创建或启动时,这会被默认启用。在监控 VDO 卷时,使用
journalctl
命令查看日志中的dmeventd
的输出:lvm[8331]: Monitoring VDO pool myvg-vpool0-vpool. ... lvm[8331]: WARNING: VDO pool myvg-vpool0-vpool is now 84.63% full. lvm[8331]: WARNING: VDO pool myvg-vpool0-vpool is now 91.01% full. lvm[8331]: WARNING: VDO pool myvg-vpool0-vpool is now 97.34% full.
修复快要没有可用物理空间的 VDO 卷。当可以在 VDO 卷中添加物理空间时,但卷空间在可以增大前已满时,可能需要临时将 I/O 返回到卷。
要临时停止 I/O 到卷,请执行以下步骤,其中 VDO 卷 myvdo 包含挂载在 /users/homeDir 路径中的文件系统:
冻结文件系统:
# xfs_freeze -f /users/homeDir # vgextend myvg /dev/vdc2 # lvextend -l new_size myvg/vpool0-name # xfs_freeze -u /users/homeDir
卸载文件系统:
# umount /users/homeDir # vgextend myvg /dev/vdc2 # lvextend -l new_size myvg/vpool0-name # mount -o discard /dev/myvg/myvdo /users/homeDir
注意卸载或释放缓存数据的文件系统将产生缓存数据的写入,这可能会填满 VDO 卷的物理空间。当为 VDO 卷上的空闲物理空间设置监控阈值时,请考虑缓存的最大缓存文件系统数据量。
可以使用
fstrim
程序清理文件系统不再使用的块。对 VDO 卷上的挂载的文件系统执行fstrim
可能会导致该卷的可用空间增加。fstrim
工具将丢弃到 VDO 卷,然后用于删除对之前使用的块的引用。如果这些块中有单一引用,则使用物理空间。检查 VDO stats 以查看当前可用空间量:
# vdostats --human-readable myvg-vpool0-vpool Device Size Used Available Use% Space saving% myvg-vpool0-vpool 100.0G 95.0G 5.0G 95% 73%
丢弃未使用块:
# fstrim /users/homeDir
查看 VDO 卷的空闲物理空间:
# vdostats --human-readable myvg-vpool0-vpool Device Size Used Available Use% Space saving% myvg-vpool0-vpool 100.0G 30.0G 70.0G 30% 43%
在这个示例中,在文件系统上执行
fstrim
后,丢弃可以返回 65G 物理空间以便在 VDO 卷中使用。注意丢弃较低级别的重复数据删除和压缩卷时,可能会回收物理空间,而不是丢弃更高水平的重复数据删除和压缩卷。具有高水平的重复数据删除和压缩卷可能需要进行更广泛的清理来回收物理空间,而不是只是丢弃尚未使用的块。
第 4 章 将现有 VDO 卷导入到 LVM 中
您可以将 VDO 管理器创建的 VDO 卷导入到 LVM 中。因此,您可以使用 LVM 工具将卷作为逻辑卷进行管理。
导入操作是不可逆的。将现有的 VDO 卷转换为 LVM 后,只能使用 LVM 命令和 VDO 管理器来访问 VDO 数据,VDO 管理器不再控制卷。
先决条件
- 安装 VDO 软件。如需更多信息,请参阅安装 VDO。
步骤
将由 VDO 管理器创建的现有 VDO 卷转换为逻辑卷。在以下命令中,将 vg-name 替换为卷组名称,将 lv-name 替换为逻辑卷名称,将 /dev/sdg1 替换为 VDO 设备:
# lvm_import_vdo --name vg-name/lv-name /dev/sdg1 Convert VDO device "/dev/sdg1" to VDO LV "vg-name/lv-name"? [y|N]: Yes Stopping VDO vdo-name Converting VDO vdo-name Opening /dev/disk/by-id/scsi-36d094660575ece002291bd67517f677a-part1 exclusively Loading the VDO superblock and volume geometry Checking the VDO state Converting the UDS index Converting the VDO Conversion completed for '/dev/disk/by-id/scsi-36d094660575ece002291bd67517f677a-part1': VDO is now offset by 2097152 bytes Physical volume "/dev/sdg1" successfully created. Volume group "vg-name" successfully created WARNING: Logical volume vg-name/lv-name_vpool not zeroed. Logical volume "lv-name_vpool" created. WARNING: Converting logical volume vg-name/lv-name_vpool to VDO pool volume WITHOUT formating. WARNING: Using invalid VDO pool data MAY DESTROY YOUR DATA! Logical volume "lv-name" created. Converted vg-name/lv-name_vpool to VDO pool volume and created virtual vg-name/lv-name VDO volume.
- 可选:在 VDO LV 上创建文件系统。
- 可选:挂载 LVM-VDO 卷。如需更多信息,请参阅 挂载 LVM-VDO 卷。
验证
列出 LVM 设备以验证将 VDO 卷导入到 LVM 是否成功:
# lvs -a -o +devices LV VG Attr LSize Pool Origin Data% Meta% Move Log Cpy%Sync Convert Devices lv-name vg-name vwi-a-v--- 25.00g lv-name_vpool 0.00 lv-name_vpool(0) lv-name_vpool vg-name dwi------- <1.82t 0.31 lv-name_vpool_vdata(0) [lv-name_vpool_vdata] vg-name Dwi-ao---- <1.82t /dev/sdg1(0)
其他资源
-
lvm_import_vdo(8)
,lvmvdo(7)
和systemd.mount(5)
手册页
第 5 章 在 LVM-VDO 卷中修剪选项
您可以使用 discard
选项挂载文件系统,它会告知 VDO 卷未使用的空间。另一种选择是使用 fstrim
应用,它是一个按需丢弃的,或 mount -o discard
命令用于立即丢弃。
在使用 fstrim
应用时,管理员需要调度和监控额外的进程,而使用 mount -o discard
命令则可尽可能立即恢复空间。
请注意,目前建议使用 fstrim
应用程序丢弃未使用的块,而不是 discard
挂载选项,因为此选项的性能影响可能非常严重。因此,nodiscard
是默认值。
5.1. 在 VDO 中启用丢弃挂载选项
此流程在 VDO 卷中启用 discard
选项。
先决条件
- 您的系统中有 LVM-VDO 卷。
步骤
在卷中启用
discard
:# mount -o discard /dev/vg-name/vdo-name mount-point
其他资源
-
XFS(5)
、mount(8)
和lvmvdo(7)
man page
5.2. 设置定期 TRIM 操作
这个过程在您的系统中启用调度的 TRIM 操作。
先决条件
- 您的系统中有 LVM-VDO 卷。
步骤
启用并启动计时器:
# systemctl enable --now fstrim.timer
验证
验证计时器是否已启用:
# systemctl list-timers fstrim.timer
例 5.1. 验证过程的可能输出
# systemctl list-timers fstrim.timer NEXT LEFT LAST PASSED UNIT ACTIVATES Mon 2021-05-10 00:00:00 EDT 5 days left n/a n/a fstrim.timer fstrim.service
您没有对 VDO 卷的引用,因为 fstrim.timer
在所有挂载的文件系统中运行。
其他资源
-
fstrim(8)
man page