Até onde sei, o comportamento de reescrita de endereço que você está descrevendo ocorrerá, desde que o pacote de resposta de saída seja roteado pelo mesmo roteador que rotearam / DNAT para a solicitação de entrada. Se qualquer outro roteador N + 1 no pool de roteadores altamente disponível estiver manipulando o pacote de resposta de saída, eles não "verão" essa conexão no banco de dados de estado do Netfilter.
Parece que você quer um roteador Netfilter altamente disponível que compartilhe informações de máquina de estado NAT . A ferramenta ct_sync mencionada nesse documento foi praticamente abandonada, mas a ferramenta conntrackd das ferramentas conntrack foi desenvolvida para fazer algumas das as mesmas coisas que ct_sync.
Se você está planejando fazer stateful packet filtering (ou NAT, que é apenas um superconjunto de stateful packet filtering) então você vai precisar de um método para distribuir o banco de dados de estados (ou, alternativamente, ir com stateless filtrando na rede e fazendo filtragem com estados em cada host).