Каким образом Mikrotik/RouterOS знает ip адрес шлюза, если я задал в качестве шлюза физический интерфейс?
Посмотрите /ip routes print
Шлюз по умолчанию появился? Думаю что нет.
Ответ кроется в самом вопросе. Шлюз CISCO. ПО умолчанию на интерфейсах у них включен proxy-arp.
 С другим оборудованием - не факт что получится повторить указанную схему.
Если кратко, первый хоп был узнан по мак адресу за интерфейсом ether1
Более подробно КАК все этого работает - ответит модель OSI (второй уровнь сетевого взаимодействия).