Sim, o que você está tentando fazer é possível. No entanto, é uma configuração incomum que espero não ser suportada por muitos roteadores. E será difícil obter uma confirmação antes de comprar um roteador para saber se ele atenderá às suas necessidades.
Um sistema Linux padrão pode fazer o trabalho do roteador. Mas eu não sei se essa é a solução ideal para você.
Você está dizendo que o propósito desta configuração é evitar a necessidade de ter mais de um cabo Ethernet entre os dois locais. Existe outra maneira, provavelmente mais robusta, de conseguir o que é usar um comutador de VLAN em cada extremidade do cabo.
Da sua pergunta, parece que você já tem um comutador VLAN capaz em uma extremidade, e suas necessidades atuais na outra extremidade é um comutador VLAN com pelo menos 3 portas. Todos os switches gerenciados com os quais trabalhei tiveram os recursos de VLAN necessários e conheço switches gerenciados com apenas 5 portas.
Entre os dois switches, você terá a execução da conectividade Ethernet que deseja evitar a duplicação. Nessa conexão entre os dois switches, você precisará de duas VLANs. Em princípio, você poderia executar uma das VLANs marcadas e a outra como não marcada, mas acho que haverá menos risco de confusão no futuro se você marcar as duas VLANs.
O novo switch colocado com o roteador dividirá as duas VLANs marcadas em duas VLANs não marcadas em portas diferentes conectadas aos lados da WAN e da LAN do roteador. Quaisquer portas não utilizadas nesse switch eu configuraria como portas LAN não marcadas, pois é com isso que você provavelmente vai querer usá-las no futuro.
Aqui está uma versão modificada do seu diagrama de rede ilustrando como o novo switch gerenciado seria inserido em sua rede:
WAN
|
Switch (VLAN and QoS for ISP)
| \
New managed switch Router(AP bridge mode)
| | |\ |
Gateway router | | | LAN
| \_/ | |
LAN LAN LAN
Um roteador a ser usado no modo bridge como ponto de acesso (sem usar sua funcionalidade de roteador) é algo que você pode alcançar com a maioria dos roteadores desligando o servidor DHCP e configurando o IP da LAN para não entrar em conflito com o resto sua LAN.
Mesmo que esse roteador não suporte o modo bridge, essa configuração ainda funcionará, desde que você não tente usar a porta WAN nele. Você pode usar qualquer uma de suas portas LAN para a conexão até o switch.