O que você está procurando é uma ponte de camada 2 em execução em uma rede de camada 3. Você pode conseguir isso de várias maneiras diferentes. Aqui está um casal, no topo da minha cabeça:
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O Gateway de Virtualização de Rede do Hyper-V da Microsoft pode fazer o que você está procurando. Ele encapsula o tráfego da camada 2 para diferentes sub-redes virtuais entre hosts no GRE.
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Você pode usar um roteador com a funcionalidade de encapsulamento da camada 2, como GRE ou L2TP. Você poderia fazer isso em software como um roteador virtual ou com um roteador de hardware.