通常Web服务的能力依赖于通用计算平台性能的提高，但是Web服务本身的业务特征和流量规律却与通用计算机体系中以科学计算为中心的设计初衷不尽相同，因此，Web服务的性能和效能无法直接从通用计算机性能的提高中获得预期的进步。在大规模数据中心（Internet Data Center，简称IDC）应用中，随着规模和负荷动态范围的增大，Web服务的高能耗问题更加严重，已经成为高效能Web服务发展的瓶颈。为了解决这个问题，人们采取了多核处理、缓存预取、前端加速等多种研究思路，也取得了一定的理论和实践成果。这些研究成果在一定条件下获得了改进，但却未从体系结构上解决如何使服务体系与承载系统相匹配的问题。本文从体系结构着手，提出了适合Web业务特征和流量特点的架构。论文进行了如下创新性的工作：提出了基于认知的主动重构Web服务体系结构（Proactive Reconfigurable Web serviceArchitecture，简称PRWA）；提出了PRWA模型的形式化定义；给出了PRWA模型的运行机理；导出了PRWA模型与现有体系结构模型之间的演化规律；理论证明了PRWA模型是一种面向Web服务的高效能模型。提出了混合可重构Web处理阵列（Hybrid Reconfigurable Web service Array，简称HRWA）；给出了基于Web服务运算处理规律的算粒特征；提出了算粒提取的形式化描述方法；设计了设计了相关的原理验证系统；证明了HRWA结构是一种面向Web服务高效能计算结构。提出了面向Web服务的智能混合存储结构（Smart Hybrid Memory Architecture，简称SHMA）；基于Web服务的数据结构和存储访问特征，设计了面向Web服务的智能混合存储体系；通过对词频统计和流媒体这两类典型Web服务的验证，证明了SHMA结构是一种面向Web服务的高效存储结构。设计并实现了一种基于PRWA模型的高效能Web验证平台，经过实测，验证了该平台的Web服务能效比达到普通服务器的十倍以上。