Нашёл проблему.
Firewall криво фильтровал пакеты ICMP из-за чего не работал механизм Path MTU Discovery, отвечающий за корректировку MTU со стороны хостов. Спасибо за помощь!
UPD: выявил настоящую проблему. Суть проблемы заключалась в том, что на роутере-шлюзе был разрешён трафик только с флагами related и established. После добавления разрешающего правила для внутренних адресов проблема была решена.