A maneira ideal seria usar VLANs.
Mas, se você não tiver equipamentos que suportarão VLANs, você poderá fazer isso por meio de uma única rede sem VLANs.
Você pode colocar vários IPs em uma única interface, mas normalmente o sistema do roteador notaria que tanto a origem quanto o destino dos pacotes estão na mesma interface. Você terá que desabilitar isso, ele é chamado de redirecionamento ICMP. Você pode desativá-lo na interface em questão escrevendo "0" no arquivo /proc/sys/net/ipv4/conf/<ifname>/send_redirects
.
A WAN e a LAN precisarão ter blocos de endereços IP diferentes, e você quase certamente terá que desabilitar o DHCP no roteador WAN ou configurá-lo para fornecer apenas endereços para a máquina do roteador Ubuntu.
Você também pode encontrar problemas com outro tráfego de difusão ou multicast, mas isso provavelmente funcionará em algumas situações. No entanto, perceba que é uma configuração muito incomum e é provável que exija um pouco de trabalho para começar a trabalhar.