Quando um dispositivo tenta enviar um pacote para outra rede (fora de sua sub-rede), ele enviará o pacote ao roteador, para que o roteador possa encaminhar o pacote conforme necessário (isso é uma simplificação).
Alguns roteadores podem escutar em vários endereços IP em várias sub-redes (geralmente um IP por sub-rede). quando um dispositivo envia um pacote para o roteador, o roteador encaminhará o pacote para a outra rede local ou para a conexão da Internet (WAN) (assumindo uma configuração 'doméstica').
Naturalmente, existem várias maneiras de configurar isso, sendo a mais simples uma sub-rede separada em cada porta ethernet. Como mencionado por outros, nem todos os roteadores farão isso; Acredito que o DD-WRT e o Tomato possuem esses recursos e, pessoalmente, eu tenho um roteador MikroTik em casa que funciona bem com uma configuração semelhante. No entanto, sem fornecer uma marca / modelo de roteador, não seremos capazes de fornecer instruções.