a solução é ROTA, não NAT
Na verdade o seu servidor esta fazendo nat, por isto o IP que ele pega é o do roteador, você teria que criar rotas, para que as duas redes se enxerguem, mesmo com IPs diferentes nas duas redes,
ex.: voce tem uma rede 10.0.0.0 e outra 10.1.1.0 o roteador de duas ou mais interfaces de rede que interliga estas duas redes, suportamente responderá, em interfaces de rede diferentes pelos ips: 10.0.0.254 e 10.1.1.254, assim toda requisição que vier da rede 10.0.0.0 para a rede 10.1.1.1 passará por 10.1.1.254 e vice-versa, assim você ocnsegue que uma rede enxergue a outra e com o proxy dentro desta rede, ele identificará o acesso pelo IP real do requisitante.
Esta é a função do Nat, navegar por uma rede diferente da dele usando o IP do seu roteador, a partir aquela rede.