Коды в основном были алфавитными, а кодовеличины (буквы, слоги, слова, словосочетания) в них располагались по алфавиту. Кодобозначения в основном были цифровыми — от трех до пяти десятичных цифр, расположенных в порядке роста чисел. Практическое удобство такой системы шифрования заключалось в том, что при шифровании и дешифровке применялась одна и та же кодовая книга, в которой и кодовеличины, и кодобозначения располагались в естественном порядке. Однако одновременно это было и слабостью кодирования, поскольку позволяло противнику, узнавшему хотя бы об одном кодобозначении, выдвигать правдоподобные гипотезы о следующих.
Реже применялись неалфавитные коды, а также коды многозначного кодирования. В последнем случае одним кодовеличинам могли соответствовать несколько кодобозначений. Практическое неудобство этих намного более стойких систем заключалось в том, что для повышения оперативности работы шифровальщика были необходимы две книги (кодирование и декодирование), причем в книге декодирования кодобозначения (числа) располагались в порядке их роста, в книге кодирования кодовеличины располагались в лексикографическом порядке, а кодобозначения были произвольными.
Иногда применялось и двойное кодирование разными кодами. При этом первый код не был секретным и использовался для «сжатия» открытого текста (уменьшения его длины), тогда как второй непосредственно обеспечивал его защиту. Достаточно часто кодируемые тексты дополнительно перешифровывались. Наряду с простыми шифрами (типа простой замены) использовались и достаточно сложные, например «Лямбда».
В 1872 году было введено усовершенствование в структуру биграммных шифров Шиллинга. Разработчик шифров сотрудник шифровального отдела МИД Нелидов предложил существенно уменьшить число букв латинского алфавита и знаков препинаний в открытом тексте с тем, чтобы можно было использовать в качестве шифробозначений латинские биграммы и буквы.
Поэтому французский ключ № 359/360, созданный в 1872 году Нелидовым, получил название биграммно-буквенного. Он содержал биграммные сочетания букв латинского алфавита (кроме k, w, y), знаки препинания (.,-) — 676 величин, а также 26 букв латинского алфавита — всего 702 величины. Шифробозначения — двузначные сочетания из 26 букв латинского алфавита и 26 отдельных букв латинского алфавита, предназначенных для передачи отдельных букв текста. Предназначался он для телеграфа и был введен в действие в 1873 году.
Принцип этой шифросистемы был биграммным с той лишь разницей, что: 1) две буквы текста передавались не тремя числами, как в биграммах, а двумя буквами; 2) при шифровании двухбуквенные сочетания состояли не из букв двух строк переписанного для этой цели по известному транспаранту текста, а из крайних букв каждой строки переписанного по транспаранту текста, двигаясь с двух концов к середине.
Последнее усовершенствование несло и некоторую криптографическую нагрузку. Поскольку на то время стало понятно, что противнику известен принцип шифрования по этой системе, то целесообразно было ввести некоторые изменения в этот принцип, что, конечно, усложняло работу дешифровщиков. Нужно было еще догадаться, в чем заключались эти изменения.
Вторая группа биграммных шифров — это русские биграммные шифры, с помощью которых шифровались сообщения, написанные по-русски. Предназначались они как для внутренней, так и для внешней переписки. Поскольку в русском языке количество биграмм превышало количество трехзначных чисел (вместе со знаками препинаний их было 1296), то разработчики шифров восполняли недостаток чисел шифробозначениями: трехзначных чисел — однозначными, двузначными и четырехзначными.
Известны такие русские биграммные шифры:
1. Ключ № 304. Так называемый «генерал-губернаторский шифр» предназначался «для секретного сообщения из Петербурга с теми из генерал-губернаторов, в местопребывании коих находятся телеграфные станции». Это были такие пункты: Петербург, Москва, Киев, Одесса, Рига, Гельсингфорс, Варшава, Вильно (Вильнюс). Экземпляры этого ключа были у военного министра, министра внутренних дел и шефа жандармов. Шифр был введен в действие в 1857 году. Именно этот ключ был первой попыткой составления русского биграммного шифра.
Впоследствии, когда было введено правило о соединении цифр для передачи по телеграфу сначала в трехзначные, а затем в пятизначные группы, применение этой системы было признано невозможным, и она была заменена сначала сочетаниями из цифр и букв для передачи русских двухбуквенных сочетаний (как, например, в биграммном ключе № 334), а затем уже биграммными ключами, в которых количество букв было сокращено до 28 (ключи № 347, 375, 380, 381 и т. п.). Эти ключи использовались и в начале XX века. Ключ № 304 был выведен из действия (в своем первичном виде) в 1892 году как по указанным причинам, так и в результате потери во время использования большого количества его экземпляров.
2. «Двузначный» ключ № 331. Был составлен по системе биграммных шифров Шиллинга в 1861 году. Этот шифр отличался тем, что не имел двойных чисел в качестве кодобозначений. К 1296 двухбуквенным сочетаниям было добавлено 1296 чисел: 7 однозначных, 75 двузначных, 591 трехзначное и 633 четырехзначных. Использовался этот ключ для шифропереписки между Министерством народного образования и опекунами учебных округов. Выведен из употребления в 1883 году.
3. Ключ № 334. Был составлен Г. Ф. Эстом по системе Шиллинга. Печатал этот шифр, как и другие шифры того времени, Ф. Годениус. Ключ включал 1482 двухбуквенных сочетания. Кодобозначениями служили 1500 трехзначных чисел, из которых 1000 — числа от 000 до 999, 500 — сочетания двузначных чисел с одной из десяти латинских букв, взятых каждая по два раза «для переменной передачи валер [словарных величин]». Шифр этот предназначался для переписки по почте между консульствами в Турции: в Адрианополе, Бейруте, Виталии, Бухаресте, Варне, Виддине, Белграде, Иерусалиме, Коржу, Мостаре, Призряне, Рагузе и др. Выведен из употребления в 1872 году.
Это был первый русский биграммный ключ, в котором двухбуквенные сочетания (словарные величины) передавались при наборе только трехзначными сочетаниями. Но ввиду превышения количества возможных буквенных сочетаний тогдашнего русского алфавита (1396) над количеством трехзначных чисел Г. Ф. Эст, которому была поручена работа над шифром, дополнил недостающие числа сочетаниями из двух цифр и одной из десяти букв французского алфавита. При составлении следующих биграммных шифров для русских текстов уже обошлись без таких сочетаний цифр и букв, поскольку сократили количество двухбуквенных «валер» до 1000, исключив некоторые буквы русского алфавита. Таким образом были составлены, например, ключи № 347, № 356, № 375 и др.
4. Ключ № 347. Введен в действие в 1865 году. Использовался для переписки МИД с консульствами на Балканском полуострове: в Бухаресте, Константинополе, Галаце, Яссах, Измаиле, Тульче, Белграде. В 1871 году был заменен ключом № 356 из-за более чем четырехлетнего применения. Однако в 1903 году этот шифр снова был введен в действие в консульствах Австро-Венгрии, а именно в Будапеште, Сарае, Триесте, Вене и др.
5. Ключ № 356. Введен в действие в 1869 году в консульствах на Востоке, где использовался до 1888 года. Известно, что этот ключ был одним из тех шифров, экземпляры которых были похищены из российской миссии в Пекине 19 августа 1888 года. Вследствие этого он был выведен из употребления, но лишь на некоторое время. Несмотря на очевидность компрометации, в начале 1890-х годов ключ опять ввели в действие, но уже в другом регионе.
