Вы можете вместо первого Nginx поставить LVS (linux virtual server) балансировщик в режиме direct routing и Keepalived или аналоги для мониторинга бекендов.
В режиме direct routing запрос от клиента проходит через балансировщик на бекенд, а ответ от бекенда идет напрямую к клиенту без участия балансировщика.
