Маршрутизатор: несколько сетей — 1 порт. Возможно?
Возможно.
Вариант 1, красивый: если коммутатор умеет VLAN, разбить его на два VLAN. 
ПК подключаются к access-портам.
Порт коммутатора, смотрящий на роутер, настраивается как trunk, и в нём прописываются оба VLAN.
Порт на роутере тоже настраивается как trunk c теми же VLAN.
Вариант 2, страшный: см. ответ от fshp 
Но тогда теряется весь смысл разбиения на две подсети: Ethernet-домен один и тот же!
А шибко умный MS Windows при такой схеме включения ухитряется общаться с живущими в другой подсети соседями по коммутатору _напрямую_, а не через роутер.
Получается интересно: Windows, встретив незнакомый ip-адрес, _всегда_ первым делом шлёт ARP-запрос.
И если он получит ответ (а он его получит: Ethernet-домен-то один!), то вместо таблицы ip-маршрутизации он будет пользоваться ARP-таблицей, и трафик между узлами из разных сетей пойдёт _только_ через коммутатор, не заруливая по пути в роутер.
В общем, VLAN и только VLAN )
"Получается интересно: Windows, встретив незнакомый ip-адрес, _всегда_ первым делом шлёт ARP-запрос."
Я тоже так считал, поэтому и задал вопрос: "мол, почему бы компьютерам из разных подсетей не общаться посредством Arp-таблицы" Вот ссылка на этот вопрос: Почему не могут взаимодействовать компьютеры в разных сетях?
Ответ оказался простым: для ip адреса из другой подсети ARP-запрос даже не инициализируется.